Устройство для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов

Устройство для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ УСКОРЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ HOtiOBf содержащее последовательно и Соосно расположенные в канале транспортировки исследуемого пуч ка коллимирукх1 ую диафрагму и рас .сеиватель в виде тонкой фольги, за которым расположен измерительный канал, в котором последовательно расположены калибровочный ИСТОЧНИК ее. -частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал сопряжен под углом с каналом транспортировки, отличающееся гем, что, с целью повььюния точн сти измерений и расширения области применимости, в измерительном канале перед источником сС -частиц установлена тонкая мииень из материала, эффективно делящегося при воздействии на него тепловыми нейтронами, при этом мишень источника А -частиц и детектор окружены поглотителем, а коллимируюыая диафрагма выполнена из материала, атомный вес которого равен или вьвие атомного веса вещества исследуемых ионов, (Л .2. Устройство по п, 1, о т л ичающееся тем, что мишень выполнена из урана-235, а источник ос -частиц - в виде слоя активС ного ОС -вещества, нанесенного на одну подложку с мишенью. СП СХ О :о 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) . и5о

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTPM

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕ;ГЕПЬСТВУ ь (21) 3434260/18-21 (22) 07.05 ° 82 (46) 30.11.83. Бюл, Р 44 (72) Ю.П.Гангрский, М.Б.Миллер .и Г,Я.Стародуб (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621 384.6 (088,8) (56) 1. Кельман В.М, и др. Электронная оптика. М.-Л,, 1963, с. 256.

2. Алфеев В.С. и др. Атомная энергия. т, 31,. 1971, вып.2,с.140. (прототип), (54)(57) 1. УСТРОЯСТВО для иэмереНИЯ ЭНЕРГИИ УСКОРЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ

ИОНОВ, содержащее последовательно и соосно расположенные в канале транспортировки исследуемого пуч ка коллимирующую диафрагму и рассеиватель в виде тонкой фольги, за которым расположен измерительный канал, B котором последовательно расположены калибровочный источник ой -частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал сопряжен под углом с каналом транспортировки, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повыаения точности измерений и расширения области применимости, в измерительном канале перед источником of. -частиц установлена тонкая мишень из материала, эффективно делящегося при воздействии на него тепловыми нейтронами, при этом мишень источника а -частиц и детектор окружены поглотителем, а коллимирукщая диафрагма выполнена из материала, атомный вес которого равен или выае атомного веса вешест- е ва исследуемых ионов.

2, Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что мишень выполнена из урана-235, а источник ос -частиц - в виде слоя активного аС -вещества, нанесенного на д одну подложку с мишенью.

1058093

Цель изобретения — повышение точности определения энергии и расширение области применимости устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов, содержащем последовательно и соосно расположенные в кайале тран60

65 зобретение относится к технике ядерно-физических измерений и мо-жет найти применение в лабораториях, имеющих дело с ускоренными пучками тяжелых ионов, . Нз известных устройств для измерения энергии ускоренных ионов наибольшей универсальностьк и.прецизионностью обладают магнитные спектрометры и времяпролетные установки )1) .

Недостатки устройств - сложность, крупногабаритность и высокая стоимост ь, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является )5 устройство для измерения энергии ускоренных тяжелых ионов, содержащее последовательно и соосно расположенные в канале транспортировки исследуемого п„чка коллимирующую диафрагму и рассеиватель в виде тонкой фольги, измерительнь|й канал, в котором последовательно расположены калиброванный источник Ы -частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал после рассеивателя сопряжен под углом с каналом транспортировки. Непосредственно с помощью таких устройств измеряют энергию рассеянных тяжелых ионов (ТИ), которая однозначно связана с энергией исходного пучка (2) .

Недостаток известного устройства состоит в TDM что его применимость ограничена областью ионов с массовыми числами не выае 10-15. При пере- 35 ходе к более тяжелым ускоренным ионам существенно возрастает неопределенность результатов измерения, что делает устройство неэффективным, либо вовсе непригодными для целей 40 измерения энергии ТИ, потому что для ионов с массовыми числами выше

15 существенной становится величина так называемого амплитудного дефекта АД), связанного с отличием откликов полупроводникового детектора (ПГД) к альфа-частицам и TH. АД определяется как разница между амплитудами импульсов на выходе ППД, возникающих при регистрации альфа-частиц и ТИ одинаковой энергии. Абсолют 50 ная величина АД может достигать

10 МэВ и более, а учет его без дополнитеЛьных-измерений не всегда возможен, поскольку он зависит от конкретных свойств детектора .и его 55 состояния s момент измерения. спортировки исследуемого пучка коллимирующую диафрагму и рассеиватель в ниде тонкой фольги, за которым расположен измерительный канал, в котором последовательно расположены калибровочной источник

Ы-частиц и детектор тяжелых ионов, причем измерительный канал сопряжен под углом с каналом транспортировки, в измерительном канале перед

К-источником установлена тонкая мишень из материала, эффективно делящегося при воздействии на него тепловыми нейтронами, причем мишень источника C --частиц и детектор окружены поглотителем, а коллимирующая диафрагма выполнена из материала, атомный вес которого равен или выше атомного веса вещества исследуемых ионов

Кроме того, мишень может быть выполнена из урана-235, а Ж -источникв виде слоя активного Е -вещества, нанесенного на одну подложку с мишенью, На чертеже приведено схематическое иэображение устройства, Оно содержит коллимирующую диафрагму 1, рассеиватель 2 тяжелых ио" нов, полупроводниковый детектор 3, мишень 4 из делящегося вещества, замедлитель 5 нейтронов, измерительный канал б в теле замедлителя для прохождения ТИ к детектору, калибровочный источник 7 альфа-частиц..

Материал для диафрагмы 1 выбран . из таких соображений, чтобы угловое распределение нейтронов, которые образуются в результате ядерных реакций при бомбардировке мишени ускоренными ТИ, обеспечивало попадание значительной их части в замедли" . тель 5. Размеры замедлителя 5 выбраны из расчета термализации нейтронов, летящих из облучаемой ионами диафрагма 1. Для ТИ с энергией 5 б МЭВ/а.е.м, средний радиус шарового замедлителя 10 см, поскольку

> основная часть нейтронов имеет энергию 1 - 4 МэВ, При этих размерах замедлителя, угле регистрации TH 20 и расстоянии от рассеивателя до детектора около 30 см для материала диафрагмы подходят вещества с атомными номерами, равными и большими таковых для регистрируемых ТИ. В случае ионов Ti, Са, Fe удобно использовать диафрагму из тантала (A 181), Мишень, должна быть выполнена из материала, испытывающего деление под действием тепловых нейтронов с большим эффективным сечением этой реакции. Кроме того, реакция должна быть тщательно изучена экспериментально в отношении энергетического спектра осколков. Перечисленным условиям более всего удовлетворяет

1058093 зз U . Не исключена возможность применения других делящихся материа. лов, например 2ЭЗ Ц 2 Pu . толщина мишени не должна превышать несколькик десятков микрограмм íà см< с тем, чтобы спектр осколков не искажался за счет самопоглощения.

Калибровочный источнчк альфачастиц может быть совмещен с делящейся мишенью, т.е. может быть нанесен на одну с нею подложку, поскольку количество необходимого альфа-активного препарата незначительно и не вызывает искажения спектра осколков.

Устройство работает следующим образом, Пучок ТИ, распространяющийся в направлении OX частично торлюзится в материале диафрагмы 1, частично проходит через ее центральное отверстие. При этом ТИ, бомбардирующие периферическую область диафраглы 1, взаимодействуя с ядрами вещества, из которого она выполнена, вызывают ядерные реакции, сопровождающиеся вылетом быстрых нейтронов, При правильнсм выборе атомного номера вещества диафраглы 1 угловое распределение нейтронов таково, что значительная их часть опускается в конусе с достаточно широким угловым раствором, так что они попадают в замедлитель 5 нейтронов. В замедлителе нейтроны, первоначально имеющие энергию от 1 КээВ и выше, замедЛяются до тепловых скоростей, В результате мишень 4 подвергается облучению потоком тепловых нейтронов, которые вызывают в ней реакцию деления. Возникаюшне при этом осколки деления детектируются в детекторе 3. Одновременно с этим часть пучка ТИ рассеивается на рассеивателе 2 и, проходя rio каналу в теле замедлителя 5 нейтронов, регистрируется в детекторе 3. Таким образом полупроводниковый детектор

3 одновременно регистрирует осколки деления и рассеянные ионы. Спектр осколка деления ряда материалов, в том числе 2 U,âåñüìà тщатеЛьно изучен экспериментально. Положение пиков в энергетическом спектре осколков 2э 0 известно с точностью 0,5 МэВ. Средняя энергия группы

;тях;елых осколков E = 70,6 ИэВ, ;:для легкой группы — Ек/100,4 МэВ. (Эти значения используются при определении энергии рассеянных ионов из результатов измерений, выполненных с помощью предлагаемого устройства. Соогветствующая процедура, позволяющая учесть амплитудный дефект, изложен ниже.

Энергию рассеянных ТИ по результатам измерений, выполняемых при помощи предлагаемого устройства, определяют следующим образом.

Сначала опредедяют величину

РД для каждой из двух групп осколков деления. При этом детектор ка-!

ëèáðóâò по альфа-линиям калибровочного источника. Затем находят величину АД для регистрируелых ионов.. Для перехода от ЛД осколков к ЛД

10 ионам используют известные эмпирические формулы, позволяющие рассчитать величину АД без учета вклада потерь энергии в мертвом слое детектора

d(6W /(W<8)+8/(4t 5 25W (407)j/g

1 где Ю = КЕ

К = (i,53 <04>

E - энергия ТИ или.осколка

20 . в ИэВ;

2 и A - порядковый номер и массовое число частиц;

B — - константа, В = 14-15, .

25 Для 2 и A осколков берут наиболее вероятные значения этих величин, известные из эксперимента, Потери энергии по входном окне пропорциональны плотности удельных ионизационных потерь (» Е /Ж X) для частиц в материале детектора (в основном Si)> так что полный

АД можно представить в следующем виде:

35 АК =4.8(ыЕ/сах).

Тогда (кЕ/cx) ти о,=(А дод- од, си. од (. f a. х ) 0 д

40 (gE/

Индексы ОД и ТИ в этих форлулах указывают на принадлежность величин к осколкам деления или к тяжелым ионам соответственно. Значения (etB/e,X) осколков и ионов берут из таблиц, причем в первом приближении для энергии ТН, от которой зависит величина(» E/ Х), берут ее значение, определенное без учета поправок на АД. Истинное значение

Гд энергии регистрируелых (рассеянных) ионов находят затем как сумму E ист = ь,ет + AQ><, где дет значение энергии ТИ, определенное по градуированному графику без учета поправок ча АД. Уточненное значение АД и искомой энергии ионов может быть получено методом послеа0 довательных приближений. Соответствующая итерациднная процедура очевидна и не требует пояснений.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять эне65 гию тяжелых ионов с учетом попра ок

105809л

Составитель Е,Громов

Редактор A,Êóðàõ Техред Л.Пилипенко i Корректор Г.Решетник е» е юею еею юю

Заказ 9604/59 Тираж 845 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 на А2, что делает устройство применимым для измерений энергии даже саьеах тяжелых ионов с энергией от.

150 МэВ и вьв е, когда измерения беэ соответствующих поправок лишены смысла.