Устройство для регистрации ионизирующих частиц

 

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к устройствам для регистрации ионизирующих частиц. Сущность: в качестве рабочего материала детектора используется высокотемпературный сверхпроводник, а для регистрации воздействия частиц используется источник когерентного света и эллипсометр. Технический результат изобретения заключается в качественном пространственном разрешении при локализации следа частицы и в высоком временном разрешении детектора. 1 ил.

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к устройствам для регистрации ионизирующих частиц, использующим для регистрации в качестве рабочего материала сверхпроводники.

Известно устройство для регистрации ионизирующих частиц с использованием низкотемпературных сверхпроводников [1]. В качестве рабочего материала детектора используется сверхпроводящая пленка свинца или индия толщиной 0,1 мкм и шириной 34 мкм, нанесенная на кварцевую подложку. Рабочая температура ванны, в которой размещен детектор, около 3 К. Детектор облучался альфа-частицами. Для регистрации факта попадания альфа-частицы в пленку детектора использовался электрический способ его фиксирования. При попадании альфа-частицы в пленку индия, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, выделяется энергия, которая локально переводит сверхпроводник в нормальное, несверхпроводящее состояние. В результате меняется площадь сечения пленки, проводящая электричество, и величина критического тока. Изменение величины тока регистрируется на нагрузочном сопротивлении, усиливается и записывается запоминающим устройством.

Недостатки этого устройства следующие: очень мал объем детектора и поэтому низка его эффективность, нестабилен во времени сигнал о попадании частицы в детектор, не фиксируется на пленке место попадания частицы.

Известно другое устройство для регистрации ионизирующих частиц с помощью сверхпроводящих детекторов, работающих как болометр [2]. Благодаря сильному снижению теплоемкости сверхпроводникового материала при низкой температуре появляется возможность регистрировать энерговыделение от отдельной ионизирующей частицы с помощью обычных термисторов.

Возможности болометрического устройства регистрации частиц также весьма ограничены. Для его работы нужна не только низкая рабочая температура, но и высокая стабильность ее по рабочему объему детектора и во времени. К тому же нет возможности локализовать место попадания частицы в детектор и велика временная инерционность.

Наиболее близкое техническое решение для регистрации ионизирующих частиц с помощью сверхпроводящих материалов описано в работе [3]. В этом случае для регистрации ионизирующих частиц, попавших в детектор, используются электрические устройства, а для получения электрического сигнала используется эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из материала сверхпроводника, переходящего в сверхпроводящее состояние. Детектор в данном варианте представляет рабочий объем, заполненный смесью мелких (десятки микрон) гранул сверхпроводника и пассивного материала и находится при температуре, близкой к Т перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное. Кроме того, рабочий объем детектора содержит матрицы петелек-контуров из проводника, регистрирующих место попадания частицы в детектор. Детектор размещен в однородном магнитном поле. При попадании в детектор ионизирующей частицы происходит локальный переход сверхпроводящих гранул в нормальное состояние, что приводит к локальному перераспределению магнитного поля. Эти изменения регистрируются электрическим сигналoм от петелек, расположенных в рабочем объеме детектора.

Недостатками этого технического решения являются низкое пространственное разрешение и временная инерционность при достаточно большом количестве проволочек-петелек. Сложным является создание магнитного поля с высокой однородностью в сочетании с очень низкой "гелиевой" температурой ванны, в которой размещен детектор.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в применении в качестве рабочего материала детектора высокотемпературных сверхпроводников, а для регистрации результата воздействия ионизирующих частиц на материал ВТСП используются источники когерентного излучения (лазеры) и оптические анализаторы светового потока.

Теоретические предпосылки устройства основаны на явлении высокотемпературной сверхпроводимости. Использование ВТСП-сверхпроводника в качестве рабочего материала детектора позволяет увеличить чувствительность детектора приблизительно в 1000 раз по сравнению с полупроводниковыми детекторами (за счет малой энергии связи электронных пар в сверхпроводнике). Соответственно энергетическое разрешение такого детектора будет в 30 раз выше Высокотемпературные сверхпроводники отличаются от классических низкотемпературных сравнительно высокой Т_c перехода в сверхпроводящее состояние. T_с для типичного ВТСП - IBaCuO - около 90 К, тогда как рабочая температура перехода в сверхпроводящее состояние свинца или индия около 2 К. Это существенно упрощает в техническом плане работу с высокотемпературными сверхпроводниками.

В предлагаемом техническом решении для регистрации ионизирующих частиц в качестве рабочего материала используется высокотемпературный сверхпроводник - ВТСП, что позволяет работать при температуре жидкого азота (около 90 К) вместо температуры жидкого гелия (около 2 К). Переход сверхпроводника - ВТСП в нормальное состояние под воздействием ионизирующих частиц (как на поверхности детектора, так и в объеме при прозрачном пассивном материале) фиксируется оптическими средствами. Это обеспечивает качественное пространственное разрешение при локализации следа частицы и высокое временное разрешение детектора.

Пример конкретного выполнения устройства для регистрации ионизирующих частиц изображен на чертеже, где 1 - пластинка из высокотемпературного сверхпроводника, 2 - криостат, 3 - стеклянные светопроводы, 4 - термостат, 5 - источник когерентного освещения, 6 - радиоактивный источник, 7 - эллипсометр, 8 - накопитель информации, 9 - ЭВМ.

Пластинка из высокотемпературного сверхпроводника 1, например IBa₂Cu₃O_4-x (T_с = 90 К), размещена в криостате 2, оснащенном окнами-световодами 3 и термостабилизатором 4. Пластинка из ВТСП охлаждается и поддерживается при температуре несколько более низкой, чем Т_с - температура перехода ВТСП-пластинки в сверхпроводящее состояние.

Поверхность сверхпроводящей пластинки освещается пучком когерентного света He-Ne лазера 5 = 632,8 нм. Структура потока света, отраженного от пластинки, контролируется с помощью оптического анализатора, например, эллипсометра 7. Пластинка 1 облучается -частицами от источника 6. При попадании -частицы в пластинку в месте ее проникновения выделяется энергия, которая переводит часть сверхпроводящего материала в нормальное состояние. Это приводит к локальному изменению физических характеристик отраженного света: например состояния поляризации, когерентности и т.д., и, следовательно, ведет к изменению структуры потока отраженного света от пластинки. Изменения в структуре отраженного света улавливаются эллипсометром 7 как факт регистрации -частицы. Для дальнейшей обработки сигналов от эллипсометра и их накопления используется современная электроника, например прибор с зарядовой связью (ПЗС) 8, и вычислительная техника 9.

Список литературы 1. Donald E. et al. Appl. Phys. Lett., 1965, 7, p. 292.

2. Alessandrello A. et al. Phys. Lett., 1988, В 202, p. 611.

3. Berger С. et al. NIM. A, 399, p. 285, 1993.

Формула изобретения

Устройство для регистрации ионизирующих частиц, содержащее детектор из сверхпроводящего материала и устройство для регистрации факта попадания частицы, отличающееся тем, что в качестве материала детектора использован высокотемпературный сверхпроводник, а для регистрации факта попадания частицы использованы источник когерентного света и эллипсометр.

РИСУНКИ

Рисунок 1