Ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов

Союз Соеетских

Социалистических

Республик

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<») 741351 (61) Дополнительное и авт. свид-ву (512М (22) Заявлено 240378 (21) 2594749/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Н 01 У 39/34

Государственный комитет

СССР по делам иэобретеннй н открытий (53) УДК б 2 1. 38 7..424(088.8) Опубликоваио 1506.80. Бюллетень М 22

Аата опубликования описания 170880 (72) Автор изобретения

Л. В. Сильвестров

Объединенный институт ядерных исследований (71) Заявитель (54) ЛИВНЕВЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОНОВ

И ГАММА †КВАНТ

Изобретение относится к технике детектиро вани я и и з мерен и я эн ер гий электронов и гамма-квантов.

В изобретении усовершенствуется один из видов спектрометров электронов и гамма-квантов, а именно ливневый спектрометр полного поглощени я.

Известны различные спектрометры, предн азн аченные дл я регистрации ядерных излучений (1) .

Ближайшим к з аявляемому является ливневый спектрометр электронов и гамма- квант ов, содержащий слои вещества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня (2) .

Энергия первичной частицы определяется по числу вторичных частиц ливня, которые регистрируются ионизаци он ными камерами или газовыми

20 пропорциональными счетчиками .

Недостатком этих спектрометров является большое время срабатывани я (r 1 мкс), связанное со скоростью дрейфа электронов в газах (10 см/с).25 ь

Другим их недостатком является то, что такие спектрометры имеют низкий коэффициент разделения электроннофотонных и ядерных ливней, поскольку адроны в ядерных ливнях имеют такую же или большую ионизующую способность, что и вторичные электроны в электронно-фотонных ливнях. Кроме того этим спектрометрам присущ эффект насыщения, выражающийся в том, что нри большом числе ионизующих частиц в ливне, что соот вет ствует большой э нергии первичной частицы, нарушается линейность между энергией ливня и выходным сигналом спектрометра.

Цель изобретения — увеличение быстродействия, улучшение разделения электронно-фотонных и ядерных ливней и расширение диапазона измеряемых энергий в область сверхвысоких энергий.

Поставленная цель достигается тем, что спектрометр содержиi детекторы числа вторичных частиц ливня, выпОлненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с источником высокого напряжения и измерительным устройством, например, анализатором импульсов, При этом электроды электрически изолированы от слоев конвертора, а между электродами создано электрическое поле с помощью внеш»его источника напряжения.

741351

Электроды могут быть расположены либо приблизительно параллельно продольной оси спектрометра, совпадающей с направлением движения первичной частицы (продольное расположение), либо приблизительно перпендикулярно к ней (поперечное расположение). В последнем случае вещество электродов может одновременно служить конвертором для развития ливня. Расстояние между электродами выбирается того же порядка или больше, что и поперечные размеры ливня в спектрометре.

Число вторичных частиц ливня измеряется по наведенному на электродах заряду, вызванному движением з аряженных частиц вдоль направления электрического поля.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого спектрометра с продольным расположением электродов; на фиг. 2 — 20 схема спектрометра, вариант выполнения.

Спектрометр содержит слои 1 вещества †конверто, электроды 2, вакуумный кожух 3, клемму 4 для присоединения к источнику высокого напряжения, высоковольтный ввод 5, резистор б, с которого снимается выходной сигнал, электрод-конвертор

7, высоковольтный электрод 8, ввод

9 высоковольтного электрода и клемму 10 для подачи высокого напряжения.

При попадании электрона или гамма-кванта в спектрометр в слоях 1 35 конвертора развивается электроннофотонный ливень. Заряженная компонента ливня состоит из электронов и позитронов число которых равно друг друry. Электроны и позитроны, попадая в зазор между пластинами 2, под действием электрического поля отклоняются в противоположные стороны: электрон — в сторону положительно заряженной пластины, позитрон — в сторону отрицатель- 45 но заряженной пластины. При этом на пластинах наводится заряд и в цепи резистора 6 возникает сигнал, который затем усиливается и анализируется обычными электронными схемами .

Расчет ожидаемой величины сигнала при различных энергиях первичной частицы производится следующим образом.

Пара металлических пластин, на которые подано напряжение U представляет собой заряженный .плоский конденсатор. Частица с зарядом 6, движущаяся в направлении электрического поля Я,создает на обкладках разность потенциалов: ,„ВЪо

Gd где Хо — расстояние, пройденное частицей в направлении поля

Я (в данном случае перпендикулярно пластинам); д — расстояние между пластинами;

С вЂ” емкость конденсатора.

Из формул электростатики получаем: са8

4gd (2) Е о 2m е

Р Ссо59 (3) (4) где Я - диэлектрическая постоянная среды;

0 — ширина пластины; длина пластины;

rn — масса частицы;

ЬС- скорость частицы; с) — угол между направлением движения частицы в момент ее выхода из конвертора и осью спектрометра.

Объединяя формулы (1) — (4), получим:

2 иС (5) Согласно теории каскадных ливней (2) полное число частиц в ливне N число частиц в максимуме ливни N „> число частиц с кинетической энергией меньше Е (Ng) и средний угол многократного рассеяния А для тяжелых элементов и больших углов равны соответственно: оjE (6) „=а (е IE„) an

К

Ео 2 е

N 2?) Е ЮИ кр кр со5 aG = q+g (7) (8) (9) где Š— энергия первичного электо рон а или гамма- к в ан т а;

Š— критическая энергия вещестЦ> ва конвертора.

- Из формул (8) и (9) следует,что около 80Ъ частиц ливня имеют энергию меньше критической и рассеяны на угол + 80o т.е..выходят из конвертора практически изотропно.

Для упрощения расчетов предположим, что первичные частицы идут в узком пучке вдоль осевой линии спектрометра, а в паре вторичных частиц электрон-позитрон обе частицы выходят из конвертора в одном направлении. Выбирая размеры Q=d = 20 см, P = 10 см,число промежутков 20 и напряжение на электродах 200 кВ, 741351 получим следующую величину сигнала (суммированную по всем промежуткам) для различных энергий первичного электрона или гамма-кванта:

Е. В 1мВ

10 0 3 5

10"2

10 30

Для усилителей с входным каскадом на полевом транзисторе уровень собственных шумов и собственная емкость составляет соответственно

5 мкВ и 2 пФ (3) . При 20 промежутках суммарный шумовой сигнал составляет О, 1 мВ. Отсюда следует, что сигнал от электронно-фотонного ливня можно уверенно регистрировать, начиная с энергии первичной частицы в (2-3) 10" эВ (200-300 ГэВ) °

В случае расположения электродов перпендикулярно оси спектрометра (поперечное расположение) заряд на 20 пластинах будет наводиться за счет того, что при попадании в зазор между электродами, частицы с одним знаком заряда будут ускоряться, а с противоположным — тормозиться. Макси- 25 мальная величина наведенного заряда сигнала М= e (C будет соответствовать случаю, когда одн а частица з аворачивается назад электрическим полем.

Это условие выполняется, когда энер- ЗО гия частицы, выраженная в электронвольт ах, мен ьше разности потенциалов между пластинами, выраженной в вольтах. Считая, что в среднем частицы вылетают из конвертора под yr- y5 лом 45О, получим, что оптимальное - соотношение между размерами электродов площадью 5=(3 b и расстоянием между электродами а будет 0= 1=3d. По-. скольку .при таком соотношении размеров емкость С будет примерно на порядок больше, чем при продольном расположении электродов, данную конфигурацию целесообразно применять, когда конвертор выполнен в виде одного слоя, толщина которого соответствует максимуму каскадной кривой .

Поскольку сам конвертор может служить электродом, конструкция спект-рометра существенно упрощается (фиг. 2) . 50

Пользуясь формулами, приведенны-

Ми выме, и выбирая размеры а =Ь=30 см, Д 10 см, 0 = 20 кВ, получим следующую величину сигнала для различных энергий первичной частицы: 55

ЕЭВ Ч м5

1 0 " 0,2

10"ъ 2 . 10 20

Из формулы (5) следует, что вели- 6() чина сигнала обратно пропорциональна массе частицы ъ. Масса наиболее легкого адрон а (пиона) приблизительно в

300 раз больше массы электрона, по-. этому адроны, как фонового происхож- g5 дения, так и возникшие в результате ядерных взаимодействий в веществе конвертора, практически не будут регистрироваться.

Время 6 нарастания сигнала определяется временем пролета частиц через спектрометр и при длине промежутка 10 см составит 1 нс для одного, промежутка 0 6 нс для 20 промежутков (в последнем случае 1 определяется наиболее энергичными частицами. ливня, для которых ) )с =4). Мертвое время зависит от схем усиливающей и анализирующей электроники и может быть сделано 10 нс.

Отметим, что величина сигнала пропорциональна напряженности электрического поля г . Электрическая прочность вакуума при расстояниях между электродами порядка десятков сантиметров позволяет создавать поля напряженностью 100 кВ/см. При наличии соответствующих .высоковольтных источников, можно получить сигнал V/ на два порядка больше, чем приведенных выше расчетах, где принималось Я = 1 кВ/см.

Таким образом предлагаемый спектрометр обладает быстродействием

10 имп/с, лишен эффекта насыщения, присущего ионизационным приборам, что позволяет расширить область измеряемых энергий в область сверхвысоких энергий и обладает повышенной способностью разделения электроннофотонных и ядерных ливней.

Спектрометр может быть применен в экспериментах на пучках электронов и гамма-квантов с энергией 100 ГэВ на ускорителях и для регистрации электронов и гамма-квантов космичес-. кого происхождения ° В последнем случае особенно важно иметь простые и ) дешевые спектрометры, покрывающие большие площади (порядка сотен квадратных метров) ° Спектрометр может также использоваться в сочетании с другими детекторами космических лучей, например, сендвичами из слоев свинца и рентгеновских пленок. Спектрометр также может быть применен в планируемых экспериментах по регистрации нейтрино на расстоянии примерно 1000 км от их источника (ускорителя) .

Формула из о брет ения

Ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов, содержащий слои вещества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня, о т л и чающий с я тем, что, с целью у вел ичени я быстродей ст ви я, улучшен и я разделения электронно-фотонных и ядерных ливней и расширения диапазона измеряемых энергий в область сверхвысоких энерго.ий, он содержит детекторы числа вторичных частиц лив741351

Составитель Б. Рахманов

Редактор П. Макаревич Техред Н.Ковалева Корректор С. Шекмар

Заказ 3331/8 Тираж 844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушаская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. УжгороД, ул. Проектная, 4 ня, выполненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с источником высокого напряжения и измерительнымым устройством.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании

9 1469415, кл. Н 1 Т>,опублик.

06.04.77.

2. Росси Б. Частицы болыаих энергий. М., Гостехиздат, 1955, с. 380 (прототип).