Сверхпроводящий акустический детектор ионизирующего излучения

Сверхпроводящий акустический детектор ионизирующего излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

"I 820438

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное и авт. свид-ву— (22) Заявлено 26.12.79 (21) 2860076/18-25 (51) М K. ç б 01 Т 1/16

Н 01 L 39/02 с присоединением заявки _#_e—

Опубликовано 30.06.82. Бюллетень Уз 24

Дата опубликования описачия 30.06.82 (53) УДК 621.387.424 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Автор ы изобретения

В. Н. Слинко и Б. И. Кузнецов

Научно-исследовательский институт ядерной физик при Томском политехническом институте им. С. М. Кирова (71) 3 аявитель (54) СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ

ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Государственный комитет (23) Приоритет—

Изобретение относится к технике измерения ядерных излучений, а именно, измерению интенсивности и спектрального распределения заряженных частиц, гаммаквантов, нейтронов, сопровождающих ядерные реакции, и может найти применение в ядерной физике и областях техники, где возникает необходимость измерения ионизирующих излучений.

Известен акустический детектор ионизирующего излучения, который содержит акустически проводящую среду — дистиллированную воду, датчик и приемник акустических колебаний, в качестве которы. . используют пьезоэлектрические датчики (1j. Датчик создает ультразвуковые колебания, которые проходя через акустическ проводящую среду, поступают на приемник, который вырабатывает электрический сигнал, характеризующий принятый звуковой сигнал. При облучении акустически проводящего сигнала ионизирующим излучением его линейная динамическая упругость изменяется на линейную, что приводит к гармоническому искажению звукового сигнала, поступающего на вход приемника. Степень гармонического искажения сигнала является мерой падающего излучения и измеряется с помощью частотного анализатора.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что ма lblc величины деформации, создаваемые ионизирующим излучением в среде, приводят к тому, что

6 устройство позволяет регистрировать потоки, что существенно повышает энергетический порог регистрации.

Ближайшим к предлагаемому является сверхпроводящий акустический детектор

10 ионизирующего излучение, содержащин акустически проводящую среду в сверхпроводящем состоянии и находящийся в контакте с ней генератор и приемник акустических колебаний, устройство обработ15 ки сигналов детектора электрически связанное с приемником акустических колебаний 12).

При попадании ионизирующего излуче20 ния в сверхпроводник происходит резкое повышение числа нормальных электронов в треке за счет разрушения куперовских пар и разогрева решетки, и, соответственно, коэффициента поглощения звуковой

25 волны. Это приводит к модуляции интенсивности акустических колебаний, поступающих в приемник, что является сигнчлом о попадании излучения в детектор. Сигнал детектора обрабатывается в спектрометри, 3п ческом тракте до параметров, необходи820438 ьт

1+ exp— т

3 мых для работы амплитудного анализатора.

К недостаткам данного устройства следует отнести следующее. Известно, что большое затухание ультразвука в металлах связано с электронами проводимости.

В металлах, конечно, имеют место и механизмы затухания, обусловленные ангармонизмом сил взаимодействия в решетке.

Но по мере снижения температуры металла решеточный вклад в затухание уменьшается, а электронное затухание при высоких частотах остаются постоянными. Таким образом, электронный вклад в затухание становится доминирующим при низких температурах и высоких частотах. Так как детектор работает при температуре жид кого гелия, в дальнейшем будет учитываться только электронный вклад в затухания ультразвуKQBbix колебаний. Важным пара. метром, который при этом необходимо учиты вать, является средняя длина свободного пробега электронов l. Частотный диапазон ультразвуковых волн удобно разделить ка две области, для которых q l соответственно больше и меньше единицы, где q=

2л — волновое число ультразвуковои

Л волны, i„ — длина волны. В достаточно чистых материалах при низких температурах q 1= 1, при частотах ч (10 Гц. Например, используя типичное значение 1 =

= 10 см при Т = 4К и скорость звуковой волны У = 5 10 см/с, получаем q l = 1 при V = 8 10 Гц. Для рассматриваемой области температур Т (4К и частот v )

) 10 Гц, q-l»1.

Коэффициент затухания по интенсивности ультразвуковой волны а при q l ) 1 для продольной волны

2п nom V I.v а

6р Ve2 и для поперечной волны

8nomV (v а=

ЗрУ где niI — плотность свободных электронов, m — масса электрона, — скорость электронов на поверхности Ферми, р — плотность вещества, в котором распространяется волна;

У, У, — скорость продольной и поперечной волны соответственно, v — частота ультразвуковых колебаний.

При переходе вещества в сверхпроводящее состояние отношение коэффициенто» поглощения звука в сверхпроводящем а,и нормальном состоянии а„описывается следующей формулой сс а 2

Зо

65 при hv (2Л(Т), где /Iv — энергия кванга звукового колебания, v — частота ультразвуковой волны, Л(Т) — ширина щели в энергетическом спектре нормальных электронов.

Так для ниобия при Т = 2К Л = 30,5. . 10-4 эв, а,/а„(10 -6. Поглощение энергии ионизирующего излучения сверхпроводником приводит к образованию нормальных электронов за счет разрушения куперовских пар и разогрева решетки. В результате увеличивается коэффициент поглощения звука в области трека.

Из формул для а видно, что для того чтобы получить максимальное изменение поглощения звука в треке необходимо увеличить частоту ультразвуковых колебаний . Но при этом должно выполняться услал (т) умака (. Так для ниооия ъмакс

1,5 10" Гц.

Распространение обычных методов возбуждения звука на область частот выше нескольких десятков гигагерц сталкивается с рядом сложностей, причем в основном затруднено детектирование фонов. Так акустические фононы обычно возбуждаются и детектируются с помощью пьезообразователей, работающих в диапазоне

25 10 Гц. Это связано i тем, что эффективность пьезоэлектрического приемника ультразвука зависит от связи между электромагнитными и ультразвуковыми волнами в преобразователе. Поэтому для эффективного детектирования нужно, чтобы между фронтом звуковой волны и плоскостью приемника угол не превышал Л/Q, где Л вЂ” длина волны, g — поперечный размер приемника. Если это условие не соблюдено, то разные точки приемника будут возбуждаться не синфазно, и сигналы от них будут взаимно погашаться. Достигнутый в этом направлении рекорд 114 .

10 Гц.

Таким образом, применение пьезоэлектрических преобразователей в качестве датчиков и приемников ультразвуковых колебаний не позволяет получить максимальной чувствительности регистрации излучений для данного детектора.

Цель изобретения — повышение чувствительности регистрации ионизирующих излучений акустическим детектором.

Поставленная цель достигается тем, что в известном сверхпроводящем акустическом детекторе ионизирующего излучения, содержащем акустически проводящую среду в сверхпроводящем состоянии и находящиеся в контакте с ней генератор и приемник акустических колебаний, устройство обработки сигналов детектора, электрически связанное с приемником акустических колебаний, генератор и приемник ультразвуковых колебаний выполнены в виде

820438 сверхпроводящих туннельных диодов, причем приемник и генератор выполнены из различных сверхпроводящих материалов. величина энергетической щели в спектре электронов которых Ль Л: в зависимости от

I. еличнны щели материала акустически проводящей среды Лз и удовлетворяет соотношению Л (Л (Л .

Известен способ генерации и детектирования высокочастотных фононов с помощью сверхпроводящих туннельных диодов.

Сверхпроводящий туннельный диод представляет собой две пленки сверхпроводящего материала, разделенных тонким слоем изолятора при Т(Т,, где Т вЂ” температура перехода материала в сверхпроводящее состояние.

На фиг. 1 приведена вольт-амперная характеристика такой структуры; на фиг,2 схематически изображен предлагаемый детектор.

Если к туннельному диоду приложено

2Л напряжение U<) — —, где I заряд электроl на (область 2 на фиг. 1), то прохождение тока в диоде связано с разрывом куперовских пар, и в оое пленки, составляющие переход, инжектируются неравновесные квазичастицы. Эти избыточные квазичастпцы могут рекомбинировать в куперовскис пары, излучая энергию в виде фонона, равную величине 2Л. Таким образом, с помощью сверхпроводящего туннельного диода можно получить монохроматический источник фононов высокой энергии (ширина спектра КТ), причем частота генератора может перестраиваться с помощью внешне го магнитного поля, так как 2A=f(H), где

Н вЂ” напряженность внешнего приложенного магнитного поля.

Сверхпроводящий тупнелькый диод может являться и детектором фононов. Детектирование фононов происходит при напряжении смещения в области 1 фиг. 1.

В этой области ток диода 1 VIA, где

Д вЂ” плотность квазичасгиц в переходе, а

Я вЂ” сопротивление перехода. Если энергия фононов !и ) 2Л, то попадая в переход, они разрывают куперовские пары, увеличивают N и тем самым создают изменение тока SI, которос измеряется. Измепение силы тока SI SA — I„,, где 1 поток фононов, приходя;цих в детектор.

Таким образом, диод может служить детектором фононов в очень широкой области частот. Другим важным его преимушеством является то, что будучи детектором энергии, он не чувствителен к изменению фазы волны.

Предлагаемый детектор состоит из сверхпроводящего материала 1 цилиндрической формы с расположенными на нс» датчиками, один пз которых выполняет функцию генератора 3 згуковых колебаний, а второй — приемника 2. В качестве датчика используют сверхпроводящие туннельныс диоды, причем свврхпроводящие материалы подобраны таким образом, что

Лз ) Л ) Ль где Лз, ;;. %< — ширина щели в спектре возбужденных состояний акустически проводящего материала 1, генератора 3 и приемника 2 соответственно.

:о

2S зо

4д

05

Использование предлагаемого изобретения позволяет существенно увеличит;. чувствительность регистрации нонпзирующего излучения, так как рабочая частота детектора v = — 1,3. 10 Гц близка к

Детектор монтируется на хладопооводе - ., который осуществляет тепловой контакт детектора со стенками криостата 5, погруженного в жидкий гелий. Рабочая температура детектора Т < T„, где Т, температура, при которой как поглощающий обьем 3, так и датчики 3 и 1 находятся в сверхпроводящем состоянии, Необходимая температура достигается путем откачки паров гелия. При подаче на датчик 3 напряжения смещения V>) от ис2 4

l точника 6, он генерирует высокочастотные фононы с частотой v= .. Так как hv =

2Л

= 2Л. (2Л;, фононы проходят через сверхпроводник 1 без поглощения и поступают на приемник 2, на который предварительно подано напряжение смещения Uz(2А>

I от источника 7. В качестве сверхпроводящих материалов можно использовать для акустически проводящей среды ниобий

Л(Т=О) = 27,3 10-4 эВ и для приемника — олово Л(Т=О) = 11,5. 10 " эВ. Прн рабочей температуре Т = 2К, когда генератор 3, приемник 2 и поглощающий объем 1 находятся в сверхпроводящем состоянии и напряжениях смещения U )3 мв, Ug (1 мв, частота генерируемых фононов

v = 1,3 . 10" Гц, так как Л (Т=2К)

= Л (Т=О). При попадании ионизирующего п.злучения в сверхпроводнике 1 происходит резкое повышение числа нормальных электронов в треке и, соответственно, коэффициента поглощения фононов. Это приводит к модуляции интенсивности потока фононов, поступающих в приемник 2, что и является сигналом о попадании излучения в детектор. Полезный сигнал проходит через буферный каскад 8, который согласует низкоомнос выходное сопротивление приемника 2 с высокоомным входным сопротивлением спектрометрическогз тракта. В спектрометрическом тракте 9 проводится обычная обработка полезного сигнала до параметров, необходимых для работы амплитудного анализатора 10. Буферный каскад 8, спектрометрический тракт 9 н амплитудный анализатор составляют устройство обработки.

7 предельной v„„., = 1,5 10" Гц. Применение сверхпроводящих туннельных диодов позволяет уменьшить габариты установки, так как туннельный диод сам является генератором ультразвуковых колебаний.

Отличительной особенностью данного де тектора по сравнению с прототипом является простота его настройки и управления.

Формула изобретения

Сверхпроводящий акустический детектор ионизирующего излучения, содерж"щий акустически проводящую среду в сверхпроводящем состоянии и находящиеся в контакте с ней генератор и приемник акустических колебаний, устройство обработки сигналов детектора, электрически связанное с приемником акустических колебаний, о тл ич а ю щи и с я тем, что, с

820438 целью повышения чувствительности регистрации излучений, ) енератор и приемник звуковых колебаний выполнены в виде сверхпроводящих туннельных диодов, причем приемник и генератор выполнены из различных сверхпроводящих материалов, величина энергетической щели в спектре электронов которых Аь Л в зависимости от величины щели материала акустически

10 проводящей среды d> удовлетворяет соотношению A«A (Л .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1з 1. Патент США Хе 3991313, кл. 250-390, опублик. 1970.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2774264/18-25, кл. (i 01 Т 1/16, 1979 (прототип).

Редактор П, Горькова

Состав и тель Б. Рахм ано в

Техред Л, Камышникова

Корректор Н. Федорова

Заказ 4117

Подписное

Изд. № 161 Тираж 514

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Загорская типография Упрполиграфпздата Мособлпсполкома