Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 4, стр. 530-533

Измерение энергии заряженных частиц по ионизационным потерям в многослойном газовом детекторе

С. И. Поташев^1, *, А. А. Афонин¹, Ю. М. Бурмистров¹, А. И. Драчев¹, С. В. Зуев¹, С. Х. Караевский¹, А. А. Каспаров¹, Е. С. Конобеевский¹, И. В. Мешков², В. Н. Пономарев¹, В. И. Разин¹, Г. В. Солодухов¹

¹ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

² Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Москва, Россия

^* E-mail: potashev@inr.ru

Поступила в редакцию 30.10.2019
После доработки 25.11.2019
Принята к публикации 27.12.2019

DOI: 10.31857/S0367676520040225

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработан четырехслойный газовый детектор для определения интенсивности и энергии электронов и других заряженных частиц. Представлены результаты измерений с использованием разработанного детектора, показывающие возможность определения энергии заряженных частиц.

ВВЕДЕНИЕ

Многослойные детекторы заряженных частиц могут применяться для широкого круга задач в физике элементарных частиц и в прикладных исследованиях. Многократное измерение ионизационных потерь применяется для идентификации заряженных частиц в физике высоких энергий [1–3]. Этот метод позволяет также определять энергию заряженных частиц, например, электронов при энергиях в несколько МэВ. При этом с увеличением числа слоев n точность определения энергии улучшается пропорционально n^–0.46(lP)^–0.32 [3], где l – толщина слоя в см, P – давление в бар. При измерении граничной энергии в спектре энергии электронов может быть определен [4] вид неизвестного бета-активного источника.

Газовые детекторы частиц, обладая радиационной стойкостью, имеют преимущество перед полупроводниковыми детекторами. В то же время они имеют низкую чувствительность к гамма-квантам и рентгеновскому излучению и, таким образом, имеют преимущество перед сцинтилляционными детекторами. Тщательная герметизация детектора, использование не выделяющих пары материалов и наполнение дешевой, не вызывающей полимеризацию газовой смесью аргона и углекислого газа делает применение газового детектора приемлемым.

Цель настоящей работы – описать создание многослойного газового пропорционального детектора, способного решать различные задачи. Такой детектор позволяет измерять ионизационные потери заряженных частиц в последовательных газовых зазорах, которые отделены друг от друга катодами, выполняющими одновременно роль поглотителей, что позволяет проводить идентификацию заряженных частиц и определение их энергий.

КОНСТРУКЦИЯ ДЕТЕКТОРА

Схема четырехслойного газового детектора заряженных частиц представлена на рис. 1. Детектор состоит из герметичного корпуса 1, который имеет входное окно 2 из полиамида толщиной от 20 до 70 мкм в зависимости от требований эксперимента. Внутри корпуса расположена сборка из четырех последовательных пропорциональных камер с зазорами 0.8 см, заполненными газовой смесью Ar + 20% CO₂ под давлением 1 атм. Первая камера содержит проволочный катод 3 из проволоки диаметром 50 мкм из покрытой золотом бериллиевой бронзы и сигнальный проволочный анод 4 из проволоки диаметром 20 мкм из покрытого золотом вольфрам-рениевого сплава. Остальные камеры содержат такие же, как и 4, сигнальные проволочные аноды 6, 8, 10 и плоские катоды 5, 7, 9, 11 из алюминиевой фольги толщиной 70 мкм. Все катоды подключены к высоковольтному питанию, а сигнальные аноды – к индивидуальным усилителям.

Рис. 1.

Схема четырехслойного газового детектора: 1 – корпус; 2 – входное окно; 3 – проволочный катод; 4, 6, 8, 10 – проволочные аноды; 5, 7, 9, 11 – плоские катоды.

Заряженная частица, проходящая через тонкое окно, производит ионизацию в четырех последовательных газовых зазорах, разделенных поглотителями. Поглотители из 70 мкм алюминия для торможения частиц одновременно являются катодами системы из четырех последовательных пропорциональных камер.

Сигналы с проволочных анодов поступают на усилители УЛБ-8, в которых 8 каналов усиления образуют 4 канала по 2 ступени с коэффициентом усиления ~400. Далее регистрация сигналов проводится с помощью сигнального процессора DT5720 фирмы CAEN под управлением сигнала от первой камеры детектора.

Детектор перед экспериментом наполнялся газом Аг + 20% CO₂ и использовался без протекания через него газа. Напряжение питания детектора составляло 2.6–2.7 кВ. Чтобы подавить случайные совпадения, использовались временные ворота выделения полезных событий. Собственный шум детектора не превышал 2.6 соб. мин^–1.

ИЗМЕРЕНИЯ С БЕТА-ИСТОЧНИКОМ

Возможность измерения граничной энергии спектра нейтронов проверялась с использованием активного бета-источника ⁸⁹Sr. Спектры ионизационных потерь электронов из такого источника в последовательных зазорах четырех пропорциональных камер детектора представлены на рис. 2. Ядро ⁸⁹Sr распадается с образованием ядра ⁸⁹Y и испусканием электрона и антинейтрино со временем полураспада 55.6 дней. Спектр электронов источника имеет приблизительно параболическую форму. Граничная энергия спектра составляет 1.489 МэВ [4]. Ионизационные потери от электронов источника наблюдаются в спектрах тонких газовых слоев четырех зазоров детектора. Спектр ионизационных потерь становится шире с прохождением каждого последующего чувствительного зазора. Определив число зарегистрированных электронов в спектрах для четырех камер детектора, получим зависимость ослабления потока электронов от толщины прохождения R (рис. 3).

Рис. 2.

Спектры ионизационных потерь электронов из источника ⁸⁹Sr в последовательных зазорах первой (а), второй (б), третьей (в) и четвертой (г) камер детектора.

Рис. 3.

Кривая ослабления потока электронов.

Экспериментальная функция скорости счета электронов J(R), представленная на рис. 3, приблизительно линейна на начальном участке при логарифмической шкале по J и линейной по R. Поэтому выбираем на этом линейном участке два значения J(R₁) и J(R₂) (за вычетом скорости счета фона). Затем вычисляем коэффициент массового ослабления по формуле [4]:

$\tau = \frac{{\ln J({{R}_{1}}) - \ln J({{R}_{2}})}}{{{{R}_{2}} - {{R}_{1}}}} = 8.63 \pm 0.25\,\,{\text{с}}{{{\text{м}}}^{{\text{2}}}} \cdot {{{\text{г}}}^{{--1}}}.$

В качестве значений R₁ и R₂ берем значения R для двух первых экспериментальных точек на линейном участке. Затем находим толщину слоя половинного ослабления:

${{R}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}} = {{{\text{ln}}2} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{ln}}2} \tau }} \right. \kern-0em} \tau } = 0.080 \pm 0.002\,\,{\text{г}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{--2}}}.$

Граничную энергию спектра электронов находим по эмпирической формуле:

${{E}_{{{\text{макс}}}}} = {{\left( {\frac{{{{R}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}}}{{0.095}}\frac{A}{Z}} \right)}^{{{2 \mathord{\left/ {\vphantom {2 3}} \right. \kern-0em} 3}}}} = 1.456 \pm 0.028\,\,{\text{МэВ}},$

где А и Z – атомный вес и атомный номер. Табличное значение этой величины для ⁸⁹Sr составляет 1.489 МэВ [4], что хорошо согласуется с полученным значением. Для радиоактивных источников в диапазоне E_макс от 0.3 до 3 МэВ ошибка определяется в основном точностью эмпирических формул. которая составляет 7%.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ УСКОРИТЕЛЯ

Данный детектор может быть также использован для измерения средней энергии электронов в сгустке пучка ускорителя. В этом случае оказывается невозможным измерить ионизационные потери отдельного электрона в сгустке, но измеряются потери в нескольких газовых зазорах, усредненные за сброс пучка ускорителя.

В процессе измерений детектор размещался в пучке электронов ускорителя ЛУЭ-8-5 при токе ~30 нА. Измеренные амплитуды сигналов зависели от интенсивности пучка, но их отношение зависит только от энергии. На рис. 4 представлены спектры отношения A₁₂ = A₁/A₂ для энергии электронов 7 МэВ, где A₁ – амплитуда сигнала, измеренного в 1-ом зазоре детектора, A₂ –амплитуда сигнала, полученного во 2-ом зазоре. На рис. 4б представлен спектр, полученный с поглотителем из алюминия толщиной 5 мм перед детектором, на рис. 4а – без поглотителя.

Рис. 4.

Спектры отношения амплитуд сигналов от 1‑ого и 2-го зазора A₁₂ = A₁/A₂ для энергии электронов 7 МэВ: а – без поглотителя; б – с поглотителем из алюминия толщиной 5 мм.

Поглотитель перед детектором устанавливался для того, чтобы увеличить разницу в величинах отношений A₁₂, A₁₃ и A₁₄ для разных зазоров. При этом средняя энергия проникающих через поглотитель электронов уменьшалась, ионизационные потери увеличивались и чувствительность функций A₁₂(E_e) и A₁₄(E_e) также увеличивалась, как показано на рис. 5а и 5б.

Рис. 5.

Зависимости от энергии пучка электронов E_e отношений амплитуд сигналов A₁₂ (а), A₁₄ (б) и ширины W₁₂ (в) на половине высоты распределения A₁₂. Черными квадратами и сплошной линией обозначены данные и аппроксимация, полученные без поглотителя. Отрытыми кружками и пунктирной линией – с поглотителем.

В то же время, другим параметром, зависящим от средней энергии электронов в сгустке, была ширина W₁₂ на половине высоты распределения A₁₂ (рис. 5в). Используя зависимости функций A₁₂, A₁₄ и W₁₂ от энергии на различных энергетических интервалах, можно контролировать энергию пучка электронов.

ВЫВОДЫ

Представлен многослойный газовый пропорциональный детектор, позволяющий измерять ионизационные потери заряженных частиц в последовательных газовых зазорах, которые отделены друг от друга катодами, выполняющими одновременно роль поглотителей. На примере измерения граничной энергии активного бета-источника ⁸⁹Sr и энергии электронов линейного ускорителя электронов показана работоспособность такого детектора.

Список литературы

Citar B., Merson G.I., Chechin V.A., Budagov Yu.A. In the book: Springer tracts in modern physics. V. 124. Ch. 3. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1993. P. 106.
Jeanne D., Lazeyras P., Lehraus I. et al. // Nucl. Instr. Meth. 1973. V. 111. № 2. P. 287.
Allison W.W.M., Cobb J.H. // Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 1980. V. 30. P. 253.
Бабенко А.Г., Бруданин В.Б., Вахтель А.В. и др. Бета-распад. Определение максимальной энергии бета-спектра. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2008. 48 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал