Спектрометрия тяжелых заряженных частиц при миллисекундном времени интегрирования заряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

введение.

глава 1. радиоэкологические проблемы использования трансурановых элементов.

1.1 Физические и ядерные свойства плутония.

1.2 Химические свойства и опасности плутония.

1.3 Важные соединения плутония и их использование.

1.4 О Биологическом действии плутония.

1.5 Физика деления ядер.

1.5.1 Элементарная теория деления.

1.5.2.Энергия деления.

1.6 Калифорний.

глава 2. спектрометры тяжёлых заряженных частиц.

2.1 Принцип работы спектрометра ядерного излучения.

2.1.1 Создание электронно-дырочных пар в полупроводниковых детекторах.

2.1.2 Фактор Фано.

2.1.3 Сбор заряда в полупроводниковых детекторах [17,18].

2.1.4 Тяжелые Заряженные Частицы.

2.1.5 Плазменные Эффекты.

2.2 Радиометры спектрометры.

2.2.1 Спектрометрические рабочие станции Octete™ PC и СЭС-13.

глава 3. электронные блоки радиометра спектрометра.

3.1 Усилитель сигналов от детектора заряженных частиц.

3.2 Измерение амплитудного значения сигналов.

3.3 Способы преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

3.4 Обработка информации.

глава 4. принципы синтеза спектрометра с миллисекундным временем сбора заряда.

4.1 Детектор, предусилитель и усилитель.

4.2 Аналого-цифровой преобразователь.

4.3 Микропроцессорная система и интерфейс.

4.4 Конструкция прибора.

4.5 Технические характеристики прибора.

4.6 Программное обеспечение.

глава 5. метрологические свойства радиометра спектрометра.

5.1 Внешний вид радиометра - спектрометра для регистрации осколков деления 252Cf.

5.2 Приборная форма линии для а -излучения.

5.3 Регистрация спектра осколков деления.

5.4 Расчеты спектра осколков деления в кремнии.

Актуальность проблемы. Радионуклид 2И cf наряду с альфа распадом имеет высокую вероятность спонтанного деления, за счет чего является уникальным источником тяжёлых ионов, которые представляют собой осколки деления. Их энергетические характеристики позволяют использовать данный радионуклид в различных задачах моделирования действия тяжёлых ионов, заменяя, таким образом, дорогостоящие эксперименты на ускорителях тяжёлых заряженных частиц. Его роль в практике как источника тяжелых ионов будет возрастать ввиду расширения сфер применения. К ним можно отнести различные эксперименты по радиационной стойкости, применения этого препарата в медицине и другие, в которых осколки деления могут использоваться вместо ускорителей тяжелых ионов. В связи с широким распространением источников излучения на основе LJ возникает радиоэкологическая задача создания простых методов и средств контроля этого изотопа методом регистрации осколков деления. Необходимо отметить, что возможность замены контроля осколков деления измерением спектра а частиц не решает задачи, т.к. существует много нуклидов, которые создают мешающие сигналы с близкими энергиями. Поэтому необходимо разработать систему раздельной регистрации осколков деления без а - частиц.

Наиболее информативными измерениями радиации являются спектрометрические, которые наряду с данными о поле излучения, представляют также и распределение частиц по энергиям. Этот метод незаменим и при исследовании источников радиации, испытывающих спонтанное деление.

Обычно задача спектрометрии осколков деления решается на основе времяпролетной методики, которая весьма дорогая, а сложные в обслуживании устройства, не подходят для радиоэкологической практики. В тоже время наличие дешевых спектрометров тяжелых заряженных частиц на основе кремниевых поверхностно - барьерных детекторов позволило бы решить задачу более доступными методами.

Для этого была разработана специализированная система, в которой учтена специфика задачи. Её структура ничем не отличается от обычного спектрометра за исключением предусилителя. В отличие от обычно используемой микросекундной постоянной времени интегрирования заряда при его увеличении возникает возможность расширенной калибровки спектрометрического тракта за счёт многократных наложений моноэнергетических альфа частиц. Этот приём выгодно использовать при регистрации осколков деления Cf-252. В этом случае калибровка спектрометра может быть осуществлена с помощью собственного альфа излучения источника. Ложные структуры на спектре осколков деления устраняются при математической обработке спектра.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлось обоснование и развитие нового подхода к спектрометрическим измерениям, который может быть более эффективным по сравнению с имеющимся.

Научная новизна и практическая значимость работы. Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие результаты:

1. Впервые для регистрации тяжёлых заряжённых частиц создан полупроводниковый детектор болыцой площади ДКПС-500сд и предусилитель(ПУ) с постоянном временем порядка 1 мс.

2. Впервые экспериментально показано, что при таком миллисекундном постоянном времени интегрирования заряда происходят многократные наложения моноэнергетических альфа частиц и, следовательно, хорошо заметны даже тройные совпадения (энергия, выделяющаяся в ППД 18,600 МэВ).

3. Обнаружено, что при регистрации осколков деления дефект амплитуды импульса в полупроводниквом детекторе не велик в диапазоне энергии 100 Мэв. Потеря зарядов за счёт реконбинации составляет 4 - 8 %. Точность калибровки составляет 10%.

4. Установлено, что калибровка спектрометра может осуществлена с помощью собственного альфа излучения источника.

5. Предложен метод БФП для задачи устранения случайных зигзагов и ложных пиков от совпадений альфа частиц на спектре осколков деления.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования позволяют дать ряд обоснованных рекомендаций экспериментаторам и специалистам-разработчикам по способам создания метода регистрации осколков деления с миллисекундным временем интегрирования заряда., а также представляют интерес для исследователей, работающих в области физики тяжёлых ионов.

Выход и с

Рис. 3.3. Пиковый детектор.

Если применить в схеме пикового детектора обратную связь, то можно компенсировать падение напряжения на диоде. Такая схема показана на рис. 3.4, в ней применен операционный усилитель (ОУ). Наличие обратной связи с выхода пикового детектора компенсирует падение напряжения на диоде. Входное сопротивление у ОУ не зависит от напряжения на входе. Однако у этой схемы есть свои недостатки связанные с применением ОУ [28].

Входной ток смещения может вызвать изменение напряжения на емкости С. Для того чтобы уменьшить этот эффект нужно применять ОУ с полевыми транзисторами на входе, т.к. у таких ОУ входные токи смещения не превышают 1 нА. Д

Рис 3.4 Пиковый детектор на основе ОУ.

Второй недостаток связан с максимальным выходным током ОУ. Это ограничивает скорость нарастания сигнала на выходе пикового детектора: dUВЫХ IПЫХ /п\ л с к>'

Например для ОУ КР574УД1А (выходной ток 1вых = 5мА, скорость нарастания выходного напряжения 80В/мкс [29]) при емкости С = Э,ЗнФ скорость нарастания на выходе пикового детектора составит всего 15В/мкс, что значительно ниже, чем скорость нарастания выходного напряжения ОУ [28].

Сигнал с выхода пикового детектора поступает на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговый сигнал с выхода пикового детектора в «-разрядный цифровой код.

3.3 Способы преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

Существует несколько способов преобразования аналогового сигнала в цифровой код: параллельное кодирование, последовательное приближение, одностадийное и двухстадийное интегрирование. Все эти способы обладают своими достоинствами и недостатками. В амплитудных анализаторах наибольшее распространение получили два способа: последовательного приближения и одностадийное интегрирование. Блок схема АЦП последовательного приближения показана на рис 3.5.

Преобразование л

Тактовый генератор

D0-11

Управляющая логика

ЦАП

Компаратор

Вход | >

Рис. 3.5. Блок схема АЦП последовательного приближения.

Он состоит из тактового генератора, блока управляющей логики , п - разрядного ЦАП и компаратора напряжения. Функционирует Эта схема следующим образом: в начале преобразования блок управляющей логики, на первом такте, устанавливает тг-й разряд (ЦАП) в лог.1, компаратор сравнивает входной сигнал и сигнал с ЦАП и, на следующем такте, в п-й разряд записывается информация с выхода компаратора, а (п-1)-й разряд устанавливается в лог.1. Это повторяется п раз. После п - тактов сигнал «Преобразование» (Convert) перейдет в состояние низкого уровня. На рис.3.6 показаны временные диаграммы, поясняющие работу АЦП последовательного приближения. Достоинства данного метода фиксированное время преобразования, высокое быстродействие, высокая точность. Основной недостаток возможная нелинейность преобразования, вызванная нелинейностью ЦАП. Так же к недостаткам можно отнести высокую стоимость прецизионных моделей АЦП последовательного приближения [30].

0s 2us tus 6us Sua 18us U(Conpare) « V(UIN:+) v U(R1:2)

Ti»e

Рис. 3.6. Временные диаграммы работы АЦП последовательного приближения.

Для компенсации нелинейности АЦП последовательного приближения используются таблицы корректирующих кодов, которые индивидуальны для каждого АЦП.

В отличие от метода последовательного приближения метод одностадийного интегрирования обладает более высокой линейностью. Это метод заключается в следующем: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) запускается в начале преобразования, после этого счетчик начинает считать импульсы (CLK), поступающие с тактового генератора. Когда линейно изменяющееся напряжение станет равно входному напряжению, компаратор остановит счет [30].

Преобразование

Рис. 3.7 Блок схема АЦП одиостадииого интегрирования.

Временные диаграммы, поясняющие работу АЦП, показаны на рис.3.8. Видно, что время преобразования зависит от амплитуды входного сигнала (VIN). Разрешающая способность такого АЦП зависит от частоты тактового генератора {Clock).

Tine

Рис. 3.8. Временные диаграммы работы АЦП одностадийного интегрирования.

Этот метод накладывает жесткие ограничения на точность компаратора и линейность ГЛИН. Однако, применяя такой АЦП, можно получить высокую линейность, что сложно обеспечить АЦП последовательного приближения.

Рассмотренные методы обладают своими достоинствами и недостатками, основные из которых были описаны выше. Выбор типа АЦП зависит от конкретной задачи.

3.4 Обработка информации.

Следующий этап обработки заключается в регистрации события. Для этого используется микропроцессорная система. Состав этой системы следующий: однокристальная ЭВМ, ОЗУ и устройства ввода/вывода. В ОЗУ храниться информация о распределении частиц по энергии. Осуществляется это следующим образом, адрес ячейки ОЗУ является номером канала (кодом с АЦП), который соответствует i-му энергетическому интервалу шириной ЛЕ, а число, хранимое в этой ячейке, является количеством частиц, энергия которых попадает в этот интервал ЛЕ. Энергетический спектр N(i ■ АЕ) = n(i ■ АЕ)/(АЕ), рассчитывается с использованием заполнения канала n(iAE), соответствующего данной энергии [11].

ГЛАВА 4

ПРИНЦИПЫ СИНТЕЗА СПЕКТРОМЕТРА С МИЛЛИСЕКУНДНЫМ ВРЕМЕНЕМ СБОРА ЗАРЯДА

Рассмотренные в предыдущей главе принципы работы радиометра спектрометра позволяют предложить следующую структурную схему радиометра спектрометра (рис. 4.1), которая мало чем отличается от классической, но благодаря некоторым схемотехническим решениям обладает меньшими габаритами, весом, потребляемой мощностью и ценой. Вся электрическая часть прибора была рассчитана в системе PSPICE. Система полностью реализована на деталях отечественного производства.

Рис. 4.1. Структурная схема радиометра - спектрометра альфа излучения.

4.1 Детектор, предусилитель и усилитель.

Детектор и предусилитель представляют единую конструкцию, и они размещены в детекторной камере. Предусилитель (рис 4.2) выполнен на полевом транзисторе с затвором в виде р-п перехода (КП307Б) с динамической нагрузкой в цепи стока (транзистор Q1) [27,11]. Он обеспечивает высокое входное сопротивление, которое определяется сопротивлением обратно смещенного р-n перехода и составляет несколько МОм. Также такой усилитель имеет коэффициент усиления порядка нескольких сотен, что сложно получить в каскаде с обычной резистивной нагрузкой. J

R3

100К

Q1

КП307Б К D1 ДКПс-500

R5 326. t

Q2

КТ342Б i I' C3 — ЮмнфМ

Рис. 4.2. Детектор и предусилитель.

Коэффициент усиления по напряжению будет равен:

K„=S- RfCT'n

RrCj +

8) где S - крутизна транзистора Q3, Ягст - сопротивление генератора тока на транзисторе Q1, которое является дифференциальным сопротивлением стока и обычное значение которого лежит в диапазоне ЮОкОм до ШОм [28], г, = dU(, dlr дифференциальное сопротивление стока.

Для транзистора КП307Б было проведено измерение дифференциального сопротивления стока, результаты представлены в таблице 4.1. Измерения проводились на нескольких транзисторах данного типа при фиксированном напряжении Uw

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, эффективное решение спектрометрической задачи регистрации осколков деления возможно с помощью простых средств - спектрометров с полупроводниковым детектором. В отличии от обычных пременяемых время-пролётных измерении энергии осколков деления этот метод полностью удовлетворяет решение задачи радиоэкологического контроля нуклидов, испытывающих спонтанное деление.

В результате выполнения работы были получены следующие новые научные и практические данные:

1. Впервые разработан метод спектрометрии осколков деления 251 Cf с миллисекундным временем интегрирования заряда;

2. Показана возможность измерения спектров осколков деления в воздушной среде с помощью кремниевого поверхностно-барьерного детектора;

3. Проведены измерения спектров осколков деления и надежно установлено, что этот метод применин для радиоэкологической практики;

4. Разработан метод расчёта спектров осколков деления за поглотителями различной толыцины.

1. Сахаров В. К., Радиоэкология. М.:МИФИ, 1995, - 136 с. 1.BN 5-7262-0230-9

2. М.П. Панин О.Г. Скотникова. Действие ионизирующей радиации на человека и окружающую среду. МИФИ, 2001 г

3. Нормы радиационной безопасности НРБ-98

4. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения Пер с англ -Публ. MKP3-38,M: Энергоатомиздат 1987

5. Martison WI,Boom S.J. The Model of Nevada group applied ecology for Pu transmitted and human dose estimation. 1979

6. Справочник no ядерной энерготехнологии: Пер.с англ. / Ф. Ран, А. Адамантиадес, Дж. Кентон, Ч. Браун- М: энергоатомиздат 1989 752 с

7. Eckerman K.F. & Leggett R.W. Proposed Revision of the JCRP's Systemic Biokinetic Model for Pu ( Dosimetry Research Group Oak Ridge National Laboratory) In: Development of an Improved Dosimetry System for the workers at the Mayak Production Association.

8. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика том 1. Москва Энергоатомиздат 1983.

9. Практикум Сил. Ядерно-физические эксперименты на нейтронных пучках. Работа 4 исследование ядерно-физических характеристик короткоживущих продуктов деления тяжелых ядер нейтронами, М, МИФИ, 1975г.

10. ПодлепецкийБ.И.Микроэлектронные датчики для измерения параметров радиации -М.: изд. МИФИ 1990г.

11. Матвеев В.В. Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излучений -М.: Атомиздат 1972г.

12. Големинов Н.Г. "Спектрометрические методы в радиационной экологии" ,М, МИФИ, 1993г.

13. Н.Г.Големинов, Зо Лин Хан, Спектрометрия осколков деления с миллисекундным временем интегрирования заряда. (Журнал Ядерные измерительно-информационные технологии, №1(17) 2006 г.)

14. Зо Лин Хан., Е Хтут Маунг., Расчёт спектра осколков деления калифорния в кремнии с учетом выхода осколков при делении. В кн.: Труды научной сессии МИФИ-2007, т. 91 Охрана окружающей среды и рациональное природопользование, с. 140-141.

15. Glenn F. Knoll. Radiation detection and measurement third edition ISBN 0-47107338-5

16. Review of the physics of semiconductor Detectors. http://www.ortec-online.com

17. Seibt W,Sundstrom K.E, Tove P.A. Charge collection in silicon detectors for strongly ionizing particles.-NIM,vl 13,1973.

18. Donald A.Neamen. Semiconductor Physics and Devices (Basic principles). Third Edition. ISBN 0-07-232107-5

19. Кумахов M.A., Ширмер Г. Атомные столкновения в кристаллах. М.:1. Атомиздат, 1980.

20. Кушнирук В.Ф. Дубна: Рекомбинационные в поверхностно-барьерных детекторах при регистрации ионизирующих частиц. - Сообщения ОИЯИ, 1311889,1978.

21. Finch E.C.,Ascar M.,Forte M. Plasma and recombination effects in the fission fragment pulse height defect in a surface barrier detectors Nucl.Instrum. and Meth., 1979,v 163.

22. Гуров Ю.Б. Мохоров П.В. Шафигуллин P.P. Шишков A.B. Выбор формирующих цепей полупроводникового спектрометра заряженных частиц с учетом конечного времени собирания заряда. -М.: изд. МИФИ 1987г.

23. Големинов Н.Г., Крамер-Агеев Е.А. Радиометрия и дозиметрия при радиационных испытаниях,- М.: МИФИ, 1987. 92 с.

24. Рекламный проспект фирмы EG&G ORTEC. OCTETE PC.

25. Рекламный проспект фирмы EG&G ORTEC. AlphaVision™.

26. Nicholas Tsoulfanidis (University of Missouri-Rolla). Measurement and Detection ofradiation -second edition ISBN 1-56032-317-5

27. Финогенов К.Г. Электронные методы ядерной физики (аналоговые методы) -М.: изд. МИФИ 1977г.

28. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1 -М.: изд. «МИР» 1986г.

29. Интегральные микросхемы. Операционные усилители. Том 1 -М.: изд. «Физико-математическая литература» ВО «Наука» 1993г.

30. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. Том 2 -М.: изд. «МИР» 1986г.

31. Големинов Д.Н. и др. Низкофоновый радиометр спектрометр альфа частиц «Приборы и системы управления», №9,1998 с 56-57.

32. Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Чернышева А.А. -М.: «Энергия» 1980г.

33. Шило B.JI. Линейные интегральные схемы. -М.: изд. «Советское радио» 1979г.

34. Однокристальные микроЭВМСправочник. -М.: Бином 1994г.

35. Александров А.А., Волков Н.Г., Пятков Ю.В. и др. Время-пролетный спектрометр на микроканальных пластинах, -ПТЭ, № б, 1981, с. 21-23.

36. Sullivan W.I., Wehring B.W. Study of use of particle channeling in time offlight fission- fragment mass-yield measurement. -Nucl Instrum and Meth,1974,vl 16.

37. Кушнирук В.Ф. Рекомбинационные потери заряда в ПБД при регистрации сильноионизирующих частиц. Сообщение ОИЯИ, 13-118896, 1978.

38. RONALD N. BRACEWELL. The fourier transform and its applications. Third edition. ISBN 0-07-303938-1.

39. Schmitt H.W. and Pleasonton F. Evaluation of semiconductor detectors for fission fragment energy measurements. Nucl Instrum and Meth., 1966, v 40.

40. A.A Александров, H.C. Медведев, Ю.В. Пятков, А.И. Слюсаренко, А.Н. Шеметов, И.А. Шляпина. Исследование эффекта каналирования осколков деления в кремниевых полупроводниковых детекторах. Москва 1986, МИФИ.

41. Таблицы физических величин М. Энергоатомиздат, 1991.

42. Steinberg Е.Р.,Kaufman S.B.,WiIkins B.D. and Gross C.E. Pulse height response characteristics for heavy ions in silicon surface-barrier detectors Nucl.Instrum and Meth., 1972,p.309-320.

43. HEAVY ION PHYSICS. September 22-27, 1997, Dubna, Russia. N.G. Goleminov

44. Sterhaimer's Formalism and the Analitical Approach to Heavy Ions Energy Loss.

45. Goleminov N.G., Sternhaimer's formalism and the analytical approach to heavy ion energy loss. In «Heavy ion physics», JINR, 1997 p.262

46. Кумахов M.A., Ширмер Г. Атомные столкновения в кристаллах. М.: Атомиздат, 1980.

47. Grob I.I.,Grob А.,Раре A. and Siffert. Energy loss of heavy ions in nuclear collision in silicon Phys. Rew. В., 1975, v 11,N9.

48. Lindhard J., Sharff М/, Schiott H.E. Integral equation governing radiation effects. Kong. Dan. Vid. Selsk. Mat. Fys. Medd. V.33 (1963), #4.

49. Mathcad. User's guide with reference manual. Mathcad 2001 professional. http://www.mathsoft.com

50. Н.Г. Големинов., Зо Лин Хан., Спектрометрия тяжелых заряженных частиц с миллисекундным временем интегрирования. В кн.: Труды научной сессии МИФИ-2005, т. 9/ Охрана окружающей среды и рациональное природопользование, с. 167-168.

51. Н.Г. Големииов., Зо Лин Хан., Расчёт спектра осколков деления калифорния в кремнии. В кн.: Труды научной сессии МИФИ-2006, т. 9/ Охрана окружающей среды и рациональное природопользование, с. 112-113.

52. Н.Г. Големинов., Зо Лин Хан., Расчёт спектра осколков деления калифорния в кремнии. (Журнал Ядерные измерительно-информационные технологии, №2, 2007 г.)