Спектометр линейчатого гамма-излучения на сжатом ксеноне "ксения" и его физические характеристики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

г*:—

Г.ЮСКОВСШ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗНЖЗКИЙ ШЕППУТ

СПЕКТРОМЕТР ЛИНЕЙЧАТОГО ГШуИ^ЗЛУЧЕНИЯ НА СШШ КСЕНОНЕ "КСЕНИЯ" И ЕГО ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРА Я КИ

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физического эксперимента

На правах рукописи

ВОЛОТШКОВ Алексей Евгеньевич

7

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

¿1

Автор

Москва - 1991

Работа виполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, с.н.с. В.В.Дмитренко.

Официальные опшнеитн: доктор физико-математических наук

С.Н.Кузнецов кандидат физико-математических наук Е.И.Чуйкин

Ведущая организация: Институт прикладной геофизики

* - - •

Защита состоится " . 1991 г. в час.

мин, на заседании специализированного совета К053.03.05 при Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Каширское шоссе, д.31, тел.324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участив в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан * № _„1991 г.

Ученый сещютарь специализированного совета В.Г.1^йа

■'i ■

j .-¡r.r.1

v Л чч'.т: uw'l

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТИ

Актуальность теш исследогашгй. Космическая гашла-спект-роскошш ш гамма-астрономия d лшгиях является перспективным направлением исследования космического пространства и астрофизических объектов.'

•Успехи галша-астропошш в линиях, достигнутые за последнее десятилетие, обусловлены, с одной стороны, угспсалышми особенностями линойчатого гаша-излучегаш, как цепного источника информации о разнообразных ядерных процессах, протозеащих в космическом пространстве, п, с другой стороны, развитием .космической техники.

Линейчатое гамма-излучение возникает в результате радиационных нероходов модау энергетическими уровнями возбужденных : ядер. В свою очередь, возбуздошшо ядра сами образуются либо в результате радиоактивного распада, либо в других ядерных реакциях, например с участием протонов, нейтронов и др. Поэтому, кванты линейчатого гамла-издучешш несут информацию не только о наличии в исто'гайке опроделешшх радионуклидов,- по и явля:от-ся своеобразными -индикаторами ядерных реакций, в которк эти радионуклиды образуются.

Другой особенностью линейчатого гамма-излучения является его высо1ля проникающая способность. Ото дает бозш;.шость изучать процессы, происходящие в областях, окруженных плотными слоями вещества, не пропускающими другие вида! излучении.

Экспериментальные задачи, которые стоят сегодня перед космической гамма-спектроскопией, требуют для своего решения создание новых гамма-спектрометров, отличающихся но только •

!

'высокой чувствительностью, но и высоким энергетическим разрё-: шониоы. Например, одной из интересных задач является изучение' солнечных и космических гамма-всплесков. В частности, большой интерес представляют детальные измерения энергетических спектров излучения гамма-всплесков. До настоящего времени подобные измерения проводились только с помощью сдантиллявдонных детекторов на основе //а1 или С{1, энергетическое разрешение которых составляет 8-12$ для энергии 662 кэВ.

' Целью работы является созданий спектрометра линейчатого гамма-излучешя на скатом ксеноне и исследование его физичес-' ;ких характеристик.

Новизна работы заключается в следующем: Впервые создан спектрометр гамма-излучения на основе плоской ионизационной камеры высокого давления, в качестве рабочего вещества которой используется сжатый ксенон. Плотность ксенона - 0.55 г/см3, давление - 60 атм. Спектрометр позволяет проводить исследования энергетических спектров гамма-излучения в интервале энергий 0.1-10 МэВ с высоким энергетическим разрешением (3.8$ для энергии-662 кэВ для энергии >1 ЫэВ1 Впервые спектрометр на скатом ксеноне используется для исследования линейчатого космического гамма-излучения на борту орбитального комплекса "Мир".

Впервые с высоким разрешением проводятся измерения'энер-; готических спектров гамма-излучения от космических гамма- ; всплесков. Все предающие эксперименты проводились с поцоцью сцннтилляциошшх детекторов, энергетическое разрешение которых в несколько раз больше, чем разрешение спектрометра на скатом; ксеноне. .

_______Впервые разработана и апробирована математическая модель

4 '

для описания физических процоссов, происходящих в ионизавдон-т шх детекторах на с;катом ксоиона.

Научная и практическая ценность работы:'

- результаты исследований свойств сиатого ксенона могут бить использованы для создашш различных типов ионизационных детекторов на с;катом ксеноне:

-■ гамт-спокгроглетр "Ксения" открывает широкие воз;.га;лгости для решения как научных задач, например, для исследования нестационарного космического гамма-излучения, так и для реше-. ния целого ряда прикладных задач,' например, контроль за АЭС, геологическая разводка, ядерная медицина, экология н др.;

- система высоковольтного питания ионизационной каморы спектрометра "Ксения" ыокот быть использована как внсокоста-билышй п эконо:.'1Ичшй источник высокого напряжения для питания устройств с малой потребляемой мощностью;

- математическая модель ионизационного детектора на скатом ксеноне может быть использовала для численного моделирования работы различных тшов ионизационных детекторов па сяатом ксеноне.

Автор защищает:

1. Спектрометр линейчатого гамма-излучения на сватом ксеноне "Ксения" I его физические характеристики.

2. Систем высоковольтного питания ионизационной камеры спектрометра.

3. Алгоритм расчета функщй отклика и других характерпс-тик иошзациошшх детекторов на скатом ксеноне.

4. Спектры фонового гама-::злуч сыт в интервале энергий 0.1-8 ИэВ, полученные с помощью спектрометра "Ксения" на

: 5

борту орбитального комплекса "Мир". /'■■ •, !-

Апробащм работы. Осношшо результаты исследований док-., ; ладивались па 1У Семинаре по точ1Шм измерениям в.ядерной

; ■ - 1 .

; споктроскошш (Вильнюс 1986), на 17 Меадународном семинаре по " ' космическому приборостроению (Фрунзе, 1989), на 21 Мевдународ-: ной конференции по физико космических лучей (Дцоланда, 1989), ■ на научном семинаре в НИИЯФ МГУ (1990) и опубликованы в .8 научных работах. ; . Структура и объем диссертации,-Диссертация состоит из

■ введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 131 наименования, содержит 119 страниц, в том числе 31 рисунок и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■ В настоящей диссертации дан анализ современного состояния экспериментальной гамма-астрономии в линиях. Рассмот-' реш методические вопросы, связанные с созданием научной аппаратуры, предназначенной дня исследования космического линейчатого гамма-излучения..Отмечено, что перспективным детектирующим элементом для создания спектрометров линейчатого кос- •• ыкческого гамма-излучения является дрейфовая' ионизационная \ кн.юра на скатом ксеноне. Несколько таких камер (или. дрзйфо- • вых ячеек), собранных в общем корпусе, позволяют достичь хо- ! рошшс спектрометрических характеристик. Например, эффектив- : ность спектрометра, состоящего из трех дрейфовых ячеек, пло-

о

щадью 700 см и высотой 10 см кавдая, составит около 30/2, а ; энергетическое разрешение - 1.5$ для энергии. I МэВ.

Создание такого спектрометра является сложной технической задачей. Поэтому, с-целью отработки методики и проверки .

различных конструктивных решений, был сконструирован спектро-' метр "Ксения", состоящий из одной дрейфовой ячейки небольшой ; площади. Данный спектрометр разработан для решения конкретной научной задачи - изучения энергетических спектров гамма-излучения от солнечных бсишдок и космических гамш-всплесков. Спектрометр входит в состав научной аппаратуры "Букот", установленной на орбитальном комплексе "Мир". В настоящоо время научная аппаратура уапошно функционирует на борту станции,информация, поступаюирл на Землю - обрабатывается. Основные параметры спеотрометра представлены в таблице.

Параметры спектрометра "Ксения"

Диапазон энергий.................................0.1-10 МэВ.

Площадь чувствительной поверхности................100 см^.

Чувствительный! объем'детектора....................1000 см3.

Апертура спектрометра............................120 град.

о

Плотность ксенона................................0.55 г/см".

Энергетическое разрешение: для 662 кэВ...........3.8$,

для I ШВ.............2.3$.

Эффективность: для 662 кэВ.......................6.0$,

для I ЫэВ.........................1.5$.

Чувствительность на уровне Зб за 10 с

наблюдений па станции "Мир" для I МэВ........5x10 квакт/сг£с

Чувствительность на уровне зб за 10 мин. в лаборатор!Шх условиях для лшшп 662 кэВ.....4x10 квант/сгЯс

Быстродействие...................................20-30 глее.

Потребляемая мощность............................15 Вт.

. Вес со свинцоБШЛ' коллиматором....................80 Кг.

Конструкция гамма-спектрометра "Ксения" Началу работ по созданию гамма-спектрометра "Ксения"- предшествовали методические исследования физических свойств сжатого ксенона. В диссертации приведены некоторые результаты исследований: графики зависимостей скорости дрейфа электронов в плотном ксеноне, а также предельного энергетического разрешения ксенонового детектора от напряженности электрического поля. Указанные зависимости были использованы для выбора оптимального значения напряженности электрического поля в дрейфовом промежутке ионизационной камеры спектрометра "Ксения".

Основу конструкции спектрометра составляет плоская ионизационная камера высокого давления, наполненная сжатым ксеноном. Камера помещена в свинцовый колодец (коллиматор), окруженный системой сцинтилляционных счетчиков из пластика. Детек тор и система защиты закреплены на алюминиевой плите, которая используется для крепления всего прибора. Нике плиты расположены высоковольтный фильтр и блоки электроники.

Ионизационная камера состоит из алюминиевых электродов,. .закрепленных с помощью керамических изоляторов внутри,цилиндрического корпуса. В качестве сигнального и экранирующих ' электродов камеры используются многопроволочные сетки, изготовленные методом электро-химического фрезерования. Сигнальный электрод камеры выполнен в виде сетки с целью уменьшения его электрической емкости. Сетка сигнального электрода представляет собой ряд параллельных проволок, расположенных с пос

с

тояннш шагом. Сетки экранирующих электродов имеют ячеистую (или клетчатую), структуру, неэффективность экранирования кле1 чатой сетки, как мшшмум, вдвое меньше, по сравнению с сетко

из параллельных проволок. Основные геометрические размеры и ! характеристики ионизационной камеры: расстояще от катода до сигнального электрода - 50.5 мм, расстояние от экранирующей

сетки до сигнального электрода 10 мм, площадь чувствительной ?

поверхности - 100 см .

Особые требования предъявляются к конструкции корпуса детектора. Во-первых, корпус должен быть достаточно прочным для того, чтобы выдерживать давление 50 атм. Во-вторых, стен. ки корпуса долины быть максимально прозрачными для гамма-квантов. В-третьих, материал из которого изготовлен корпус, должен быть химически инертным по отношению к водороду. Последнее требование по позволило использовать для изготовления ■ корпуса титан. Корпус детектора был изготовлен из алюминиевого сплава Д-16. При этом толщина стенок обечайки равнялась 6 мм, толщина дна - 12 мм. Дно имеет четыре робра жесткости высотой 18 мм и толщиной 5 ш. Нижний фланец камеры изготовлен из стали и имеет толщину 15 ш. Во фланец вварены керамические гермовводы, через которые на электроды камеры подаются высокие напряжения.

Для хранения и очистки ксенона,, приготовления смесей ксенона с водородом, а тагс::о для подготовки и наполнения де- . тектора использовалась специальная газовая система. Очистка ксенона осуществляется в два этапа. Исходный газ предвари- -тельно очищается от приыеоей, проходя чероз калыцювый геттер (стручка Са, нагретая до температуры 600-700°С) и специальный фильтр, необходимый для очистки газа от шли кальция. Для приготовления рабочей смеси, предварительно очищенный ксенон смешивается с водородом. Сверхтошсая очистка смеси ксенона р

водородом проводится с помощью электро-искровой чистки, в которой происходит распыление титана. В процессе чистки'элохстро-отрицатолыше примеси поглощаются титановой пылью, образую- ; щейся при электрическом разряде между титановыми электродами! чистки. Чистота газа контролируется по времени яизни электронов в контрольной ионизационной камере. Перед наполнением ; проводится вакуумная подготовка детектора. Для этого детектор

прогревается при температуре 200°С и одновременно откачивает-

-э

ся насосом НОРД-ЮО до давления менее 10 Па в течение 200 часов. Чистота газа в детекторе контролируется по времени жизни электронов в процессе их дрейфа в зазоре между верхним электродом и 1фышкой корпуса детектора. После наполнения чиотота газа в детекторе соответствует времени кизни электронов более I т. Концентрация водорода в газовой смеси находится на основании зависимости скорости дрейфа электронов в детекторе.

Система защиты спектрометра состоит из свинцового коллиматора и трех сцинтилляционных счетчиков. Свинцовый коллиматор представляет собой колодец высотой 230 мм и внутренним -диаметром 200 мм. Толщийа боковых стенок колодца равна 20мм, толщина дна 25 мм. Коллиматор ограничивает поле зрения спектрометра 150° . Снаруки коллиматор за1фыт сцинтилляционными счетчиками. Боковой счетчик собран на оснве пластика цилинд-; рической формы. Счетчик просматривается восемью ФЭУ. Нижний ; счетчик имеет форму диска толщиной 15 ш. Световой сигнал снимается с помощью двух ФЭУ1 Верхний счетчик, представляю- ■ щый собой сешент сферы, изготовлен из пластика толщиной i

5 мм. Размеры верхнего счетчика таковы, что он полностью за-;

!

крывает апертуру спектрометра от заряаенных частиц. Счетчик ;

1 просматривается шестью ФЭУ. Значения напряжений питания ■выбирались в процессе калибровки счетчиков по атмосферным мю-1 оиам. Проводеш1ая калибровка системы защиты спектрометра показала, что эффективность счетчпков составляет 0.998^0.002.

Элоктричоская схема опектрометра состоит пз блока команд ¡и связи, который! осуществляет включение и отключение отдельных блоков электроники; источника низковольтного питания; ис-точшка питания ФЭУ; источника высоковольтного питания ионизационной. 1самеры детектора. Задающий генератор синхронизирует работу всех источников питания, задавая частоту тактовых и управляющих имцульсов преобразоватолей напряжения. Это позволяет уменьшить уровень электрических помех, наводимых на спектрометрический тракт детектора. Спектрошэтрпчесгай тракт состоит из зарядочувствительного усилителя и линейного усилителя-формирователя. Для контроля за линейностью тракта во время эгхнсрншпта, попользуется контрольный генератор, формирующий импульсы стандартной амплитуда. Елок счетчиков формирует сигналы антнсовпадений, блокирующие срабатывание ионизационной камеры спектрометра, а такт.о формирует сигналы совпадений срабатывания клмеры с верхним, нижним и боковым охранными счетчиками.

Система питания спектрометра преобразует напряконпо 27 В в напряжения, необходимые для функционирования прибора. Она включает в себя задающий генератор и три источника питания: источник низковольтного питания СШШ), источник питания ФЭУ (ИПФ) и высоковольтный источник питания (ИБП) для ионизационной камеры. Задающий генератор синхронизирует работу всех источников питания, задавая рабочую частоту тактовых и управляю-

:.щих импульсов преобразователей напряжения.

II

Едок ИБП дает ш выходе ряд стабилизированных напряжений,-необходимых для питания высоковольтных источников, усилителей спектрометрического тракта и логической схемы электроники. ИНП выполнен по известной схеме двухтактного регулируемого преоб- ' разоЕателя. Елок ИПФ выдает необходимые для питания ФЭУ-35 напряжения от I до 2 кВ. ИПФ выполнен по схеме двухтактного преобразователя с широтно-тшульсной модуляцией. Дня получения высокого выходного напряжения, используется ыногозвеньевая схема умножения во вторичной цепи выходного трансформатора. Напряжение обратной связи снимается с высокоомного делителя, подключенного к выходу источника питания. Блок ИБП предназначен для подачи напряжений на электрода ионизационной камеры слектромет-ра. Источник имеет три высоковольтных выхода: ХЛ, 172 и "№, напряжения с которых подаются на экранирующий электрод, распреде-/ лителыше кольца и катоды камеры, соответственно. Соотношение уровней выходных напряжений равно 4:7:10, что необходимо для нормальной работы камеры. Данное соотношение было выбрано экспериментально. 3 отличие от'ИНП и ЦП«1, высоковольтный источник имеет оригинальную конструкцию. 11ВП включает в себя преобразователь напряжений, повышающий трансформатор, выпрямитель-умно-' аштель, высоковольтный фильтр. Преобразователь питается от непрорывного стабилизатора. Для обеспечения температурной ста- ; бильности выходных напряжений в цепь питался преобразователя, мелду общей точкой эшттеров силовых транзисторов и землей . включен ограничитель тока. Для управления работой преобразователя используется схема формирования прерываний (СФП). Преобразователь напряжения включает в. себя задающий генератор прямо- ■ угольных ишульсов и двухтактный■ усилитель мощности, собранный ■ на транзисторах Т1 и Т2. 'между базами силовых транзисторов

. 12 ■• |

;преобразователя включены" шунтирующие транзисторы ТЗ и Т4, для" ■ управления которыми используются сигналы СФП. Источник питания .." :работает следующим, образом. Схома формирования прерываний осуществляет пересчет тактовых импульсов задающего генератора. В . точошю 1/1 тактовцх импульсов схема формирования прерываний подцорлмвает запирающие .напряжения на базах шунтирующих транзисторов ТЗ и Т4. За это время на базы силовых транзисторов •.'-'Т1 и Т2 проходит такое .-го число управляющих импульсов с задающего гепоратора, в результате чего преобразователь напряжения соверши? "качков" и на выходе выпрямителя-умножителя появится импульс высокого напредешш длительностью Трай=#1/У где Н - частота задающего генератора. В точение следующих #2 тактовых импульсов на выходе схеш формирования прерываний под-до рлпзаотся высокий уровепь напряжения. При этом шунтирующие .'транзисторы открываются и управляющие импульсы не проходят на базы силовых транзисторов преобразователя. Следовательно, в точопие времени Тпауза=#2/^ преобразователь не работает. Времена Траб и Тпауза выбираются из условия минимума потребляемой мощности при требуемом уровне пульсаций напряжений на выходах высоковольтного фильтра. В таком ре;шмз работы выходной каскад преобразователя напряжения и регулирующий транзистор непрерыв- • . ного стабилизатора потребляют мощность только в течение времени Траб (Траб «Тпауза). Из условий нормальной работы ионизационной камеры били выбраны следующие временные параметры источника: #=10 кГц, Траб=3.2 ш (#1=32), Тпауза=0.4 с (#2=4026). | • Калибровка гамма-спектрометра "Ксения"

Целью калибровки являлось: проверка работоспособности ; узлов и блоков спектрометра; выбор оптимальных значений напряжения питания ионизационной камеры и времени формирования

13

¡линейного усилителя; исследование зависимости энергетического" разрешения и эффективности споктрометра от энергии. Эксперименты проводились с помощью специального стоцца настройш и калибровки спектрометра. При этом спектрометр облучался точечными источниками гамма-излучения из стандартного набора ОСП1.

Калибровка спектрометра проводилась в два этапа. Па первом этапе определялись параметры газовой смеси, выбирались оптимальные значения напряжения питания ионизационной камеры и времени формирования линейного усилителя, исследовались факторы, определяющие энергетическое разрешеиио спектрометра, а также проводились предполетные испытания отдельных узлов и блоков прибора. lía втором этапе калибровки были измерены зависимости ,энергетического разрешения и эффективности спектрометра от энергии гамма-квантов, а такке набраны спектры от различных источников гаша-излучения.

Результаты калибровки гамма-спектрометра -"Ксения". Па основании зависимости скорости дрейфа электронов от напряженности поля была найдена концентрация водорода в газовой смеси камеры - 0.26%. Па основании зависимости, энергетического разрешения спектрометра от напряженности электрического поля, было . выбрано рабочее значение напряженности электрического поля в i дрейфовом промежутке камеры -.2.6 кВ/см. Данному значегаш напряженности поля соответствует напряжение, подаваемое па катоды камеры, 18.7 кВ. При напряженности поля в дрейфовом промежутке равном 2.6 кВ/см скорость дрейфа электронов составляет ;2.7x10 см/с, время дрейфа электронов 14 мкс. Поэтому, время формирования усилителя было, выбрано равным 14.7 мкс.

Измерена зависимость энергетического разрешения спектрометра от энергии. Разрешение спектрометра составляет 3.7% для Энергии 662 кэВ и 2.2$ для энергии I ЫэВ. Построена зависимость "чистого" энергетического разрешения (т.е. разрешения за вычитом шумов электроники) от энергии гамма-квантов. Зависи- 5 мость "чистого" разрешения была использована для определения неэффективности экранирования сетки. Приведены результаты исследований влияния различных факторов на энергетическое разре-, 'шение спектрометра. Основной вклад вносят: неэффективность эк-:ранирования сеток ионизационной камеры 2-3%,. шумы электроники i- 19 кэВ, вылет флуоресцентных квантов с K-оболочки атомов Хе , t •...... - 14 • ;

• -1%, статистика новообразования - 0.5$. л

■Расчет характеристик спектрометра Зависимость эффективности спектрометра от энергии, а также приборные функции спектрометра были рассчитаны методом Монте-Карло. Программа, которая использовалась для расчетов, отличается от стандартных пакетов программ, прежде всего, способом построения фазовых траекторий частиц (или схемой расчета), который, как известно, зависит от постановки задачи и , диапазона анергий, в пределах которого прослеживаются "истории" частиц. Математическая модель спектрометра представляет собой алгоритм расчета амплитуды выходного сигнала (сигнала на ецходо усилителя-формирователя), возникающего в процессе собирашш на сигнальном элоктроде зарядов, выделившихся в чувотштелыюй области 1самеры при поглощении первичного гамма-кванта. Для того, чтобы смоделировать выходной сигнал, необходимо: I) рассчитать величину наведенного заряда; 2) построить зависимость токового кшульса, от времени; 3) вычислить амплитуду сигнала на выходе усилителя-формирователя.

базовые траектории гамма-квантов строились по схеме прямого аналогового моделирования. Координаты текущей точки взаи-модойствия определялись исходя из значений полных оечений взаимодействия гамма-квантов с веществом спектрометра. Тип взаимодействия выбирался с учетом парциальных сечений процессов: фотоэффокта, комптон-эффокта и образования пар. -Значешш направляюща косинусов и оперт! вторичных частиц разыгрывались по дафферонциалышм сечениям соответствующих процессов. Пробеги электронов, образующихся в элементах конструкции спектрометра, составляют порядка.I мм. Поэтов считалось, что они погло- ' даются в точке рождения. Исключение составляют'электроны, образующиеся в ксеноне. Для них необходимо"учитывать пробеги и : возможность влета (вылета) в чувствительную область детектора. При этом, трек электрона рассматривался как цепочка кластеров, расположенных с шагом I ш вдоль прямой, совпадающей с первоначальным направлением движения электрона. Длина трека (количество кластеров на треке) и распределение энергетических потерь вдоль трека (энерговыделение в кластерах) были рассчитаны .заранее и затабулированы. При моделировании координат точек взаимодействия гамма-квантов, учитывалась геометрия спектромет-

Г, . • 15

!ра. Возможный вылет исходного гамма-кванта без взаимодействия,' исключается введением весов. Программа содержала два свободных параметра. Первый параметр - дисперсия шумов электроники. Его значение было найдено исходя из ширины пика контрольного генератора - 19 кэВ. Второй параметр - неэффективность экранирования сетки. Его значение выбиралось в процессе подгонки зависимости "чистого" разрешения от энергии, рассчитанной методом Монте-Карло, к измеренной зависимости. Минимальное среднеквадратичное отклонение было получено для значения неэффективности эхфанирования 3.15$. Дня проверки правильности работы программы, были смоделированы спектры от точечных источников гаша-квантов. Расчетные спектры сравнивались с экспериментальна!. При этом для оценки степени согласия расчета с экспериментом использовался критерий хи-квадрат. Результаты расчетов в пределах ошибок согласуются с экспериментальными данными, что указывает на правильность работы программы. Созданная программа позволяет моделировать различные по конструкции ионизационные детекторы на сгатом ксеноне.

Для оценки чувствительности спектрометра был использован спект фоновых событий, измеренный на бо^ту орбитального комплекса '"¿Лир". Чувствительность (квант/см*1, с) к всплвсково:ду излучению (солнечные и космические гаша-всплески) на уровне 3 б за врзмя наблюдения 100 с(~2 мин) составляет: 0.5II ЫэВ -0.3, 2.22 ЫэВ - 0.4, 4.44 МэВ - 0.07, 6.13 МэВ - 0.03. Чувствительность спектрометра вполне достаточна для проведения измерений энергетических спектров солнечных и космических гамма-всплесков. Чувствительности.к линиям 0.5II и 1.8 ЫэВ из Центра Галактики за время наблюдения Ю^с составляет - 5хЮ~3 квант/ см^.с, что является недостаточным для наблвденыя указанных линий.

Спектрометр "Ксения" шкет найти широкое применение не только в научных исследованиях, но и для решзшш многих прикладных задач. Кроме экологии п контроля за АЭС., спектрометр с успехом моает быть использован в ядерной медицине, в геоло-. гической разведке, и пр. Для оценки чувствительности спектрометра, был использован спектр фоновых событий, набранный в лабораторных условиях. Чувствительность была.рассчитана с уче-,том возможных специфических условий цроводения измерений.

ГПапримор/ если'точечный источник 137С*находится на крышке версс-! ного охранного счет чипа спектрометра, то минимальная активность Л, которая молсет быть измерена на уровне ОЙ над фоном за время 10 млн, составит 5 квант/с, что эквивалентно 16x10"-^ Кюрн или Ю-1 г С? .. Другой пример: прибор монет быть использован дал контроля за уровнем загрязненности территории радионуклидом 137С£ , Если спектрометр установить па самолете или вертолете, то минимально измеряемый уровень загрязненности с высоты 100 м за время 10 мин будот равен 0.1 Кюри/км*\ Для , сравнения типичные контролируемые уровни загрязненности составляют 0.5-4 Кюри/юг.

ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Создан спектрометр линейчатого гамма-излучения на сза-том ксононо "Ксения". Спектрометр входит в состав научной аппаратур! "Еукот", установлешюй на орбитальном комплексе "Мир", и используется дая измерения эноргетическпх спектров гамма-излучения от солнечных вспышек и космических гамма-всплесков.

В процоссе создания аппаратуры были разработаны следующие системы и блоки прибора:

- система защиты на основе сщштилляционных детекторов;

- систома питания злектрошпеи и ионизационной камеры спектрометра;

- спектрометрический тракт;

- блок логического анализа событий.

2. Исследованы- физические характеристики гамма-спектро-

: метра: :

I - факторы определяющие энергетическое разрешение спектрометра "Ксения" (вклад шумов электроники 19 кэВ, неэффекти-. : ность сетки 2-355, флуктуации новообразования - 0.4$);

- найдены' оптимальнее значение напряженности элэктричес- ( кого полй в дрейфовом промежутке ионизационной камеры, Ццр= =2.6 кЗ/см; оптимальное соотношение напряженностей полей в

, дрейфовом и сигнальном промежутках ионизационной камеры, Бс> ! 2.5хЕцр; оптимальное значение постоянной времени формирования

I " 17 !

' усилителя спектрометрического тракта, Тф=1>4^7 шсс; ......'

3. Проведена калибровка гамт-спектромотра с помощью ис-; точников мопоэноргетичсского галап-излучешш различите энергий:

- измерены зависимости энергетического разрешения и эф- : фективности спектрометра от энергии гамма-излучения. (для энергии 662 кэВ разрешение составляет 3.7^, эффективность - С%, для энергии I МэВ - 2.2$ и I.^соответственно; '.

- найдена зависимость номера канала анализатора спектрометра от энергии;

1 - измерены спектры фоновых событий в лабораторша условиях и на борту станции "Мир"; •

- на основании фоновых спектров получены оценю: чувствительности спехстрометра "Ксения" (чувствительность на уровно Зб за время наблюдений составляет 5x10. ^ квант/см .с для энергии I ШВ);

- оценены возможности спектрометра для решения прикладных задач (экология, ядерная медицина, геологическая развод-

1 ка, контроль за АЭС и другими исцусствештмп источниками гам: ма-излучення и пр.);

! - проведена калибровка сциптилляциошшх счетчиков систо-' мы защиты спектрометра (изморенная эффективность счетчиков составила 0.998*0.002.

4. Разработана математическая модель гамма-спектрометра,: которая включает в себя:

- моделирование величины наведенного заряда в иолизаци- • ! онной камере;

: - моделирование токового пмпульса на выходе БЧУ; ■ I - моделирование сигнала на выходе усилителя формироБате-, ля и его логического анализа электроникой спектрометра. ; 5. Разработана программа для расчета приборных функций ; ' спектрометра методом Монте-Карло. Программа позволяет учесть', ■ геометрию прибора с точностью I мм. Данная программа моает' | быть использована дай моделирования различных по конструкции j I ионизащошшх детекторов на сжатом ксеноне^ :

[ 6. Рассчитаны эффективность, энергетическое разрешение и I .приборные функции гаша-бпектрометра "Ксения". . '

:' 7. Рассчитана зависимость, связывающая.показатель спектра

„ падающего гамма-излучения с показателем спектра зарзгнетрпро-

Рванного излучения. " ' • "" ........- — -..... -

Основные результаты исолодоващ:й бшш опубликованы в работал:

1. 'Болотников А.Е., Дмитрошсо В.В., Ро.глшок A.C., Сучков

- С.И., Утешев З.М. Энергетическое разрешение гамма-спектрометров на сглтом ксеноне. - В кн.: Физика высоких энергий. Ы. : Эпергоатомпздат, 1984, с.81-90.

2. Болотников-А.Е., Рошнйк A.C., Сучков С.И., УтешевЗ.М. Рекомбинация.и подвшшость свободных электронов в смесях Хе-Н2. - В кн.: Космофизичоские исследования. Ы.: Энергоатомиздат, I9CC, с.СЗ-Ш.

3. Болотников А.Е.," Дмитрошсо В.В., Романюк A.C., Сучков С.П., Утошов З.М. Факторы, определяющие энергетическое разре-шошю гамма-споктрометров на сьлтом ксеноне при плотностях

0.6 г/см. - ПТЭ, 1286, Jí 4, с.42-45.'

4. Болотников А.Е. Дмитропко В.В., Романюк A.C., Сучков С.II., Утошов З.М. Злоктрон-ионная рекомбинация на следах электронов в сглтом ксеноне. -.ГГФ, 1283. Т.58, о.734-742.

5. Болотников А.Е., Дуитронко В.В., Гальпер A.M., Ромашек

A.C., Сучков С.И., Утошов З.М./Крутько Н.А.,Паппе Н.Е.,Шш С.Н. Исследование свойств сотого ксенона, определяющих характеристики гаила-спектрометров и расчет параметров гамма-телескопа на скатом ксеноне. - Отчот МИФИ, (депонированный в ШГИЦ) & 02850027605. M.: 1985 , 86 с. •

6. Аверин С.Л., Балакшин Е.В., Болотников А.Е., Ващенко

B.Н., Власик К.Ф., Дмитренко В.В., Гальпер A.M., Грачев В.М., Кривов C.B., Кондакова О.Н., Михиевич В.Е., Романюк A.C., Сучков С.И., Утешрв З.М., Юркин Ю.Т., Фесенко А.И. Лаборатор-' но-отладочный образёц аппаратуры для исследования нестаццонар-

• ного гамма-излучения. Отчет МЙЫ1, (депонированный в ЕНТИЦ) Ji 02870017578, M.: 1986, 65 о.

7. Болотников А.Е., Власик К.Ф., Длитренко В.В., Гальпер A.M., Грачев В.М., Кривов C.B.,- Кондакова О.Н., Тарабрш К.Г., Сучков С.И., Утешев З.М., Юркин Ю.Т. Гамма-спектрометр на

' сжатом ксеноне с эффективной площадью 100 см*\ - Отчет МИФИ, (депонирован в ВКГИЦ), ü 02900003657, M.: 1989, 71 с.

8. Болотников А.Е., Дмитренко В.В., Романт A.C., Сучков С.И., Утешев З.М. Методика расчета детекторов гамма-квантов на сжатом ксеноне. - В кн. : Элементарные частицы и ядерные процессы в ближайшем космосе и астрофизических объектах. И.: Энерго-атомиздат. 1986, с.89-94.

Л.- Подписано к печати i 4Ц. 9/ Заказ ¿63 Тираж ICO

' Типография 1.ШИ, Каширское шоссе, д. 31

20 _______Ъ/vi

V U- -

' . '■ j I

7