Регистрация треков заряженных частиц в диэлектрических детекторах в условиях ультразвуковой кавитации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

: ЫССКСВЗКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНЖЕНИ ИНШЕРЮ-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1 ч- На правах рукописи

ЁШШНСергей "Владимирович

ЕЕГИСТРАЩЯ. ТРЕКОВ ЗАРШЕЕННЫХ ЧАСТЩ В даЭЛЕКТРКЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРАХ В УСЛОВИЯХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАЖГАЩИ ■

01.04.01 - техника физического эксперимента, физике приборов, . автоматизация научных исследований '

Автореферат диссертации на соискание степени кандидата

физико-математических наук.

1втор:

Москва, 1991

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель: кавдидат физико-математических наук» доцент В.Б.Кушин.

Официальные оппоненты: ' : -

Берзина И.Г., доктор фазико-иа?еиатических наук, профессор Московский институт инженеров транспорта. -

Ыареный к.и. кандидат физико-математических наук» Научно-исследовательский, испытательный центр радиационной -безопасности космических объектов ИЗ РФ.

.Ведущая организация:

Объединённый институт ядерных исследований,г.Дубна.

Защита состоится " /^ " ^с&Ьи/ 199 £-г. в час мин, на заседании специализированного сове-

та к-053.03.05 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: 114409, Москва, Кааирское шоссе, 31, тел.324-84-56.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Цросим прислать отзыв в одаоы экземпляре,;заверенный печатью организации или Принять.участие, в работе совета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь А.Н.Гудков \ -

специализированного совета

Подяисано г печать цЛ- Заказ ¿¿-3 ■ Тираж /С

.i Г; Актуальность предмета исследования

Диэлектрические трековые детекторы в настоящее время широко применяются в различных областях физики, биологии, медицины, техники и технологии. Круг материалов, которые могут использоваться в качестве детектора-очень широк. Это позволяет иметь детекторы с саыой различнойчузствителъностыз.

Нолачегтво научних публикаций, особенно зарубежных, связанных-с исследованиями характеристик детекторов, созданием ноеых детекторов ^ разработкой новыхспособов выявления треков, изучение« фундаментальных процессов,.происходят« в треках,на протяжении последних лет держится на высоком уровне.

, Среди широкого круга исследований;выделяется направление, связанное с поиском возможности изменения характеристик детектора в процессе* выявления трёка. Так как чувствительность детектора и его порог регистрации в определенных пределах зависят от способа выявления, то известные градации детекторов по чув-гтвительности достаточно условны и связаны с конкретными условиями травления и параметрами травотеля. Можно предполагать, что общепринятые способы выявления треков не всегда являются зптииальными,-для характеристик детектора. :

В I9d9 году была высказана идея использования ультразвуко-эого поля в процессе выявления треков при химическом травлении. 1звестно*. что УЗВ-воздействие широко применяется.при обработке " мверхкосТей, для стимуляции химических реакций.,. Известен меха-дазы кавитационного воздействия ИВ-поля на поверхность. Одна-го, в физике детекторов явление ультразвуковой кавитации до юследнего времени не использовалось. С целыэ разработки нового :пособа выявления треков в ДТД, улучшавдего регистрационные :арактеристики детекторов в широком диапазоне условий травления,

поиска оптимальной методики, требуется детальное исследование воздействия УЗВ-поля на поверхность'ДТД в процессе выявления треков. - : . : ■

Цель работы

1. Разработка нового способа выявления треков в диэлектрических трековых детекторах СДТД) на- основе, действия ультразвуке вого (УЗБ) поля, позволяющего изменять регистрационные характеристики: относительную скорость травления, эффективность травленм, эффективность регистрации, порог регистрации.

2. Разработка теоретических представлений, объясняющих -действие ультразвукового поля на детектор.

Научная новизна результатов работы

1. Разработан способ выявления треков в диэлектрических трековых детекторах, позволяющий изменять регистрационные свойства детекторов (относительную скорость травления, эффективноет регистрации, порог регистрации) на основе действия ультразвуковой кавитации.

2. По действию УЗВ-поля ка регистрационные характеристики

ДТД.

1) впервые обнаружено, что при определенных, установленных экспериментально автором условиях наблюдается эффект резкого увеличения воздействия травителя на поверхность детектора и на область трека в диапазоне частот УЗБ-колебаний 17,5 - 19,3 кГц.

2) установлено, что величина эффекта зависит от способа размещения детектора в поле.

3) обнаружено," что эффект действия УЗВ-поля на ДТД носит избирательный характер, что выражается в увеличении относительной скорости травления. Мт/\/э

А) установлено, что величина эффекта зависит от температу]: травителя.

5) установлено, что величина -эффекта зависит от материала

4

поверхностей и их состояния.; , . "

,-- 6) обнаружен пороговый характер эффекта от сдельной моц-ности УЗВ-поля.

?) разработаны и защищены авторскими свидетельствами устройства для изменения регистрационных характеристик детекторов, а также способ ускоренного производства ядерных ыикрофильтров..

3. По разработке механизма действия УЗВ-поля на диэлектри-хеские трековые детекторы.

, , Предложена'теорети^ская модель.: эффекта основанная на (еханизме ультразвуковой кавитации. Предложенная модель единым образом об-ьясняет результаты экспериментов: ■'

а) ускорение процесса травления детекторов объясняется .ействием на поверхность детектора ударных волн я кумулятивных труй отсхлопывавщихся кавитационных пузырьков.

б) избирательный характер эффекта объясняется преимущественны действием кумулятивных струй травителя на входные отверстия аналов треков.

Практическая ценность

Разработанный в диссертации метод ультразвукового травле-1я улучшает-регистрационные характеристики диэлектрических зтекторов: относительную» скорость травления Ц/Иг , эффек-шность травления, эффективность регистрации, порог регистра-1и. Применение данного метода позволяет многократно сократить ¡емя обработки детекторов не ухудшая их характеристик, что важ-) для индивидуальной нейтронной дозиметрии на основе детектора Й. -39. С помощью ультразвукового, травления возможно наблю-ние на одном образце и за одну обработку всех стадий образо-ния травимого трека. Это полезно при изучении формы-трека в оцессе его образования. В. данный момент ."не существует других тодов воздействия на регистрационные, характеристики, приме-

нимых к столь большому классу детекторов и широкому диапазону условий их обработки.

На основе обнаруженного аффекта воздействия УЗВ поля на; ДТД разработана и защищена авторским свидетельством новая технология производства ядерных микрофильтров. Открывается'возможность создания новых технологий изготовления микрофильтров на толстой основе и с определенным профилем пор. .

На защиту выносятся'следующие.основные положения:

1. Впервые экспериментально.обнаружен эффект воздействия ультразвукового поля на ДТД, заключающийся в ускорении образования -треков при травлении.

2. Разработан метод ультразвукового травления ДТД улучшающий регистрационные характеристики, а также позволяющий изменят эти характеристик^ в процессе выявления треков.

3. Исследована физическая природа эффекта воздействия ультразвукового поля на диэлектрические детекторы. .■ .. ■ ,

4. Предложена теоретическая, модель, объясняющая экспериментальные результаты на основе действия ультразвуковой кавитации на поверхность детектора. .

5. Предложено использовать нетод ультразвукового травления для: -•'• _ '/

а)- улучшения регистрационных.характеристик детекторов.

б) экспрес-обработки-диэлектрических ;.трековых детекторов.

в) создания новой технологии, производства ядерных микрофильтров. .,".''...'.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации докладывались на Всесоюзных школах-семинарах:

1. 2-й Всесоюзной шксле-семинаре по твердотельным трековы» детекторам и авторадиографии.. Одесса. 1-4 июля 1969г.

2. 3-й Всесоюзной школе-семинаре по твердотельным трековым детекторам и авторадиографии. Одесса. 5-11 сентября 1991г.

5

и опубликованы в семи работах- г

: Структура и об-ьем диссертации Диссертация, .состоит из введения, 3-х разделов, заключения и: списка; цитируемой литературы, содержит /¿"/страниц, в том числе рисунков;, 7 фото и ^ таблица. .

.••-••■-"■. Краткое, содержание .работы ; .Диэлектрические, трековые детекторы нашли широкое применение в различных областях, науки : и технологии. Для изменения регистрационных, свойств Д1Д. в настоящее-время исследуются возможности, воздействия на детекторы различных условий и физических полей. В диссертации, обосновывается перспективность применения ультразвукового, поля для;воздействия на процесс выявления треков; Известно*., что.УЭВ-поле,является' мощным инструментов ускорения физико-химических процессов. Вместе,с тем до настоящего зремени практически отсутствовали, •исследования по влиянию УЗВ-толя на процессы'в треках диэлектрических детекторов. В немногочисленных работах был достигнут лишь незначительный эффект гакого воздействия, что обусловлено отсутствием общей теории, юзволяющей выбрать соответствующие условия воздействия и поис-:ом этих условий чисто экспериментальным путем.

В диссертации рассмотрено современное состояние физики ;иэлектрических трековых детекторов. Основное внимание уделено :етодам воздействия на регистрационные характеристики детек-оров. На основании обзора литературных данных приведены основ-ые требования, к средствам, воздействия' на регистрационные войства ДВД. ..'.,','.

Далее приведены экспериментальные данные по воздействию а диэлектрические,трековые детекторы ультразвукового поля, качестве основных.объектов исследования выбраны, полимерные де-екторыт/. • -- КоЛак Н5_ обладающий низким порогом регистрации широко используемый в экспериментах и Лавсан - представляющий

интерес для технологии производства ядерных микрофильтров. Облучение детекторов << -частицаш осуществлялось с помощью радиоактивных изотопов, облучение тяжелыми-ионами на .ускорителе •> У-300 СИНИ г.Дубна, В качестве источника ультразвукового' поля использовалась ультразвуковая ванна с магнигострикционныы-излучателем, соединенная с термостатом для поддержания заданных температурных режимов и генератор ультразвука, акустической мощностью от 0 до 200 Вт и изменяемой частотой от 17,5 до 19,3 кГц. ;' '

Экспериментальным путем найдены условия, при которых ультразвуковое (УЗВ) поле оказывает сильное воздействие на диэлектрические детекторы. А именно, скорость травления основного материала детектора и скорость травления в треке возрастают ? '

в 10 раз, если детектор находится в зазоре между двумя поверхностями, а на травящий раствор воздействует УЗВ-поле. Установлена зависимость величины эффекта от геометрического параметра - ширины зазора. Рис. I. Максимальная скорость травления наблюдается при ширине зазора 5 ч .10 ыкм. При H £ 100 мкм скорость травления не'отличается от контрольной. Также .обнаружено, что эффект имеет место, если поверхности-сжимают.детектор, а величина эффекта зависит от давления. Рис. 2.

Предложена методика ультразвукового травления. Эксперимента проводились' в 2-х различных геометриях. В первом случае скорость травления регулировалась посредством изменения ширины зазора. Во втором случае скорость травления регулировалась изменением давления поверхностей на детектор.

Бри исследовании эффекта обнаружен избирательный характер воздействия УЗВ-поля на травимые треки в ДТД, что проявилось в увеличении относительной скорости травления YrAfe. . Эта характеристика является ключевой по отношению к остальным регистрационным характеристикам диэлектрических детекторов: критическому углу регистрации, избирательности травления, эффективности

6 *

регистрации, порогу регистрации.

В раде экспериментов исследовалась физическая сущность самого эффекта. Эксперименты проводились с целью проверки различных гипотез. Обнаружен пороговый характер зависимости эффекта от удельной мощности ультразвука, что свидетельствует в пользу его кавитационной природы. . _

Известно, что диффузия воды в объем детектора может заметно изменять скорость травления. Для .проверки диффузионной гипотезы детекторы на основе нитрата целлюлозы выдерживались в воде под действием УЗВ-поля. Экспериментально установлено, что в данных условиях величина диффузии воды в детектор под действием УЗВ-поля не отличается от контрольной. В пользу кавитационного характера свидетельствуют, также эксперименты,d которых установлена зависимость эффекта от материала и состояния поверхностей. Така как на процесс образования кавитационных пузырьков вблизи поверхности влияют такие характеристики поверхности как смачиваемость, микротрещины и шероховатости, а на процесс схлопы-вания пузырьков - упругость поверхности.

" lió температурным, зависимостям скоростей травления поверхности и в треке определялись энергии активации химического травления, они оказались примерно в 2 раза, меньше, чем в контрольном случае при травлении без УЗВ-поля. Установлено, что с уменьшением температуры эффект возрастает,, а при увеличении температуры уменьшается. При 70 4 80°С скорость травления в .УЗВ-поле не отличается от скорости травления без поля. Температурная зависимость также хорошо интерпретируется.в рамках кавитационной гипотезы, так.как известно, что при повышении температуры в кавитационном пузырьке увеличивается паросодержание и в результате уменьшается эффективность физико-химического

действия кавитации. С целью уменьшения.паросодержания в трави-тель добавлялся глицерин. Глицерин является инертным веществом . " по отношении и к детектору и к травителп, а также мало влияет на гидродинамику схлолывания кавитационных пузырьков. В то же время известно, что добавление его к водным растворам снижает содержание пара .в кавитационных пузырьках^ Эксперрлентально установлено, что в данных условиях добавка глицерина увеличивает эффект воздействия УЗВ-поля на детектор-

Для детектора Ко ¿а //¿"изучалась зависимость относительней скорости травления от удельных ионизационных потерь энергии. Образцы облучались Л -частицами различных энергий и протравливались в УЗВ-поле. Относительная скорость травления'повышается во всем исследованном диапазоне (от 0,85 МэВ до 4,25 ИэВ). По. полученной зависимости установлено, что порог регистрации о1 -частиц снижается от .9 до 12 МэВ. -V.

Для лавсановых детекторов исследовалась равномерность трав-■ ления' по поверхности в зависимости от давления поверхностей на -образец в УЗВ-'поле. В достаточно широком диапазоне давлений от . 0,5 до 8 кГ/см^ скорость и равномерность травления постоянны. Таким, образом, величина давления не является критическим параметром для .качества обработки лавсановых детекторов. Протравлен--ные лавсановые пленки исследовались на электронном микроскопе в ЛЯР ОШИ г.Дубна. Установлено, что скорость травления в лавсане в УЗВ-поле в 6,6 раз больсе чем без поля. . / • "

Также для и лавсана исследовались кянетф. травле-

ния. Приведены зависимости диаметра входного отверстия треков-от толщины стравленного слоя необдученного материала. Зависи- . мости показывают, что УЗВ-поле сильнее действует на детектор в области трека, что подтверждает его избирательный характер. На основе исследований лавсановых пленок предложена новая тех-

•• : ',? ".Иг' ■ '^-''^.Т-лЛ

нология ускоренного изготовления ядерных микрофильтров.

.;■•■■ Анализ экспериментальных результатов показал, что наиболее ' вероятной моделью'для.описания эффекта воздействий УЗВ-поля на ДВД является модель с кавитационным механизмом.' Далее описана динамика поведения кавитационного пузырька. Под действием УЗВ-поля происходит разрыв жидкой фазы и образование парогазового пузырька, который изотермически расширяется достигая максимальной -величины, к этому моменту давление в УЗВ-волне меняет знак и начинается адиабатическое сжатие пузырька, происходящее'со значительно большей скоростью чем расширение. Сжатие заканчивается образованием ударной волны или кумулятивной струи жидкости. Приведены схемы образования кумулятивных струй. Процесс воздействия УЗВ-поля на детектор сводится к тому, что в зазоре между поверхностью и детектором возникают кавитацконше пузырьки, запасающие энергию поля в процессе роста. Затем пузырьки • преобразуют запасенную энергию в кинетическую энергию сжатия и далее в энергию кумулятивной струи или ударной волны. Воздействие струй и ударных волн на поверхность детектора приводит к .увеличению скорости- травления. В 'навигационной модели скорость травления поверхности пропорциональна потоку молекул травителя .на поверхность детектора: . .

где -"ф- скорость кумулятивной струи, ¿№) - сечение взаимодействия струи с поверхностью детектора, П - объемная плотность.кавитационных пузырьков, ¿V - эффективное расстояние от поверхности до кавитационной области.

Скорость травления можно представить в виде:

Где - п , / !£{) - функция кинетической энергии

струи. . '\ '

Сделана оценка кинетической энергии струи: .

В;

где - максимальный радиус пузырька, - минимальный

радиус пузырька, Р. - внешнее давление, - давление

в кавитационном пузырьке.

Предложенная модель используется в частности для объяснения зависимости скорости травления от ширины зазора. С изме- :„•. нением ширины зазора изменяется характер схлошвания пузырьков, ; что и влияет на величину эффекта. Увеличение избирательности • травления, объясняется следующими факторами;

•I. Зародышами кавитации могут быть продукты травления.

Кумулятивная струя попадая а область трека может производить интенсивное "вымывание" продуктов травления из него, ускоряя процесс травления.

3. Частично протравленный'трек может быть той неоднородностью поверхности, около которой чаще образуются кавитационные пузырьки. _

Так как в модели наблюдаемый эффект определяется индивидуальным действием кумулятивных струй, то материал пластин влияет на интенсивность кавитации - при плохой смачиваемости на границе раздела жидкость-твержое тело присутствует большое количество газовых зародышей кавитации, при хорошей смачиваемости.-кавитация затруднена. Зародышами кавитации могут'быть пузырьки газа, находящиеся, в микротрещинах поверхности пластин. Эффект ■ должен возрастать' для,шероховатых;поверхностей, что и наблюдается в эксперименте.

Поведение температурных кривых объясняется тем, что воз- ..

растение температуры приводит к увеличению парогазовой смеси в пузырьке. Это давление препятствует схлопыванию, уменьшая в конечном счете . энергию-струи . Вместе с тем, добавление глицерина сильно уменьшает давление насыщенного пара в пузырьке, что приводит к возрастанию эффекта.

Наряду с кавитациснкым механизмом воздействия УЗВ-поля на ДТД, рассмотрен ультразвуковой капиллярный эффект (УКЭ). УКЭ-эффект также.имеет кавитационную природу, однако в отличии от рассмотренного вше механизма, кавитационные пузырьки в данной модели схлопывавтся не внутри зазора, а у его входа, создавая в зазоре (капилляре) избыточное давление. Оценка избыточного давления в зазоре (капилляре) совпала с экспериментальным значением АР Лг I аты. Столь незначительная величина избыточного статического давления не может вызвать наблюдаемый в эксперименте эффект влияния ультразвукового поля на травление детектора. Однако сам УКЭ имеет место, так как во втором варианте геометрии эксперимента зазор (капилляр) создается естественным образом при включении ультразвукового поля за счет избыточного давления, которое отталкивает пластины от детектора.

Основные результаты и выводы диссертационной работы

I. По действию УЗВ-поля на регистрационные характеристики

ДТД.

I) Экспериментально обнаружено, что, при определенных условиях, наблюдается эффект резкого увеличения воздействия трави-теля на г.оверхность детектора и на область латентного трека в диапазоне частот УЗВ-поля от 17,5 до 19,3 кГц. Величина эффекта зависит от способа размещения детектора в поле. Эффект действия УоВ-г.сля на ДТД носят избирательный характер, что выражается в увеличении, относительной скорости травления Уг .

2. На основе эффекта разработан метод выявления треков в диэлектрических детекторах, позволяющий- изменять регистрационные характеристики детекторов: относительную скорость правления: УтЛЛ» , критический угол регистрации, эффективность регистрации и порог регистрации, в процессе выявления треков.

3. Исследована физическая сущность эффекта. Обнаружен пороговый характер эффекта от удельной мощности УЗВ-поля. Величина эффекта зависит от материала поверхностей пластин,ыежду которыми \ размещается детектор и их состояния.. Установлено,- что величина ..•• эффекта зависит от температуры и состава травителя.

4. Экспериментально проверены гипотезы механизмов воздействия УЗВ-поля на ДТД» Установлено, что наиболее вероятный является кавитационный механизм действия поля. -

5. Предложена теоретическая модель эффекта, основанная на механизме^ульззшвдсовой кавитации. Модель единым образом объясняет результаты экспериментов. Ускорение процесса травления детекторов в зазоре объясняется действием на поверхность детектора ударных волн и. кумулятивных струй от схлопывающихся кави-тационных пузырьков.'Зависимость эффекта от ширины зазора объясняется изменением характера схлопывания кавитационных пузырьков при изменении граничных условий в поле ультразвуковой волны. Скорость травления пропорциональна интенсивности кавитации и потоку молекул травителя на поверхность детектора. Избирательный характер эффекта объясняется преимущественным действием . кумулятивных струй травителя на область травимого трека.

Г4

■ Основные материалы диссертации опубликованы в ? печатных

работах: ...

1. Елкин C.B., Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б., Выявление скрытых радиационных повреждений в диэлектриках звуко-капиллярным травлением, - Тезисы докладов 2-й Всесоюзной шко--лы-семинара по Щ и авторадиографии. Одесса 1-7 июня, I98Sr., с.33 - Ёлкин C.B. принимал участие в постановке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении экспериментальных результатов, написании текста статьи*

2. Елкин C.B., Кушн В.В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б. Выявление треков путем травления диэлектрических трековых детекторов в ультразвуковом поле. - Приборы и техника эксперимента,

5, 1989г.,' 70-73. - Елкин C.B. принимал участие в постановке и проведений экспериментов, обработке и обсуждении экспериментальных результатов, написании текста статьи.-

3. Елкин C.B., Кушин В .В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б, Уст. . ройство для выявления треков частиц в твердотельных трековых

детекторах. A.C. I5705I8. - С.В.Елкин принимал участие в разработке, изготовлении устройства, экспериментальной проверке, написании текста заявки. . •

4. Елкин C.B., Егоров В.П., Кушин В.В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б. Устройство для выявления треков частиц в твердотельных трековых детекторах. Заявка 4795515 пол. реш. от 29.01. 91г. - С.В.Елкин принимал участие в. разработке, изготовлении устройства, экспериментальной "проверке, написании текста заявки. .'

5. Ёлкин C.B., Кушн В.В., Ляпидевский В.К., Хохлов Н.Б. Способ изготовления пористых мембран. Заявка 4481753 пол. реш. от 13.09.89г. - С.В.Елкин принимал участие в разработке, экс-

периментах и написании текста заявки.. ,

6. ЕлкинС.В., Кушин В.В., Ляпидевский В.К. Образование треков-в диэлектрических трековых детекторах в условиях ультразву- : новой кавитации. Тезисы докладов 3-й Всесоюзной школы-семинара по ТТД и авторадиографии. Одесса, 5-II сентября 1991г.,

с. 67.. - Елкин C.B. принимал участие в подготовке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении экспериментальных результатов, расчетах, написании текста доклада.

7. S.V. EU;* t V.\/.iiuik;»t /.¡¿. tyspufeuiky^ tf.ä.lCkxi kitos Fotfaitoa ef ïuioks in eiietecitCe ttuc&jn Ji4*c{vtS: i* ЛП ■

J:*>id < AfueUo* T-tAvi am tri fletX Sutern* «.¿f.

I99Z ,v.1C,a/Z fp. ft-fs

Рис.1 Зависимость скорости травления материала детектора

. от ширины зазора. •

Рис.2 Зависимость скорости'травления материала детектора от величины давления поверхностей на образен.

1о