Цилиндрический гамма-детектор на сжатом ксеноне для регистрации линейчатого гамма-излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СУЧКОВ Сергей Иванович

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ШША-ДЕТЕКТОР" НА СШОМ КСЕНОНЕ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЛИНЕЙЧАТОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.01 - техника физического.эксперимента, физика

приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: С^

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-физическом Институте

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Улин С.Е.

Официальные оппоненты*, доктор физико-математических наук

Кузнецов С.Н.

кандидат физико-математических наук Ямбуренко Н.С.

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф, Иоффе г. Санкт-Петербург.

Защита состоится л^Ч^ 199- г. в ^ часов

на заседании специализированного совета К053.03.05 8 Московском инженерно-физическом институте по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе, д.81, тел.324-64-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

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

Автореферат разослан " /X 1992г.

Ученый секретарь

специализированного совета Щ/х^* А.Н.ГУдков.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш исследований. В настоящее время гамма-спектрометрия широко применяется в фундаментальной и прикладной науке, различных областях техники, в геологии, экологии, медицине. Наиболее распространенные детекторы гамма-излучения - сцинтмляционные (на основе кристаллов Nal и Csl) и полупроводниковые (главным образом на основе кристаллов Ge(Li)) имеют в основном удовлетворительные параметры для широкого круга задач. Свойства детекторов определяют их область применения. Одно из основных применений сцинтиляционных детекторов - исследование полей гамма-из'лучения. От данных об этом поле возможен переход к характеристикам источника, его создающего, например радионуклида, для чего используется ППД. Однако, для широкого круга задач не требуется энергетическое разрешение на уровне долей процента (ППД), и вполне достаточно разрешение 1 - 3/6. Поэтому детектор с таким разрешением более дешевый, чем ППД, представляет большой интерес. В ряде областей применения гамма-спектрометрии, имеются специфические требования, затрудняющие использование традиционных детекторов. К таким требованиям относится работа при повышенной температуре без дополнительного охлаждения. - Это, например,, требуется для детекторов, установленных на наружной поверхности космических спутников, где даже при использовании защитных средств, температура может достигать 60°С; при проведении экологического мониторинга в жарких климатических поясах, где температура также может достигать 60°С в тени; особенно жестко это требование в геологии при проведении гамма-каратажа в глубоких скважинах, где температура достигает 200°С.

Поэтому актуальной является разработка новых типов детекторов гамма-излучения, обладающих хорошим энергетическим разрешением (на уровне 2-4%), по возможности простых, долговечных и сохраняющих свои параметры при . повышенных-температурах.

Целью работы является разработка детектора линейчатого

гамма-излучения на сжатом ксеноне и изучение его физических характеристик.

Новизна работы. Впервые создан детектор гамма-излучения на основе цилиндрической ионизационной камеры высокого давления, в качестве рабочего вещества которой используется сжатый ксенон, с плотностью до О.бг/см^. Детектор позволяет проводить исследование энергетических спектров гамма-излучения в интервале энергий 0.1 - 5МэВ с энергетическим разрешением 3,5$ для гамма-квантов с энергией ШэВ.

Впервые исследована возможность улучшения разрешения цилиндрической ионизационной камеры за счет рекомбинации и уменьшения времени формирования импульса, по сравнению со временем необходимым для работы в рекиме полного собирания заряда.

Впервые проведены исследования характеристик детектора гамма-излучения на основе цилиндрической ионизационной камеры в диапазоне температур 20 - 170°С.

Впервые.создан детектор гамма-излучения имеющий, высокое энергетическое разрешение - 3,5$ для гамма-квантов с энергией 1МэВ при высоких температурах - до 170°С.

Научная и практическая ценность работы. Результаты исследований свойств сжатого ксенона могут быть использованы для создания различных типов ионизационных детекторов на сжатом ксеноне.

Цилиндрический детектор гамма-излучения открывает широкие возможности как для фундаментальных научных исследований, например, для исследования нестационарного космического гамма-излучения, так и для решения целого ряда прикладных задач, например, контроль за АЭС, экология, геологическая разведка и др.

Автор защищает:

1. Детектор на основе цилиндрической ионизационной уячорц Емкого давления для регистрации гамма-излучения в интервале энергий 0.1-БЫэВ и его физические характеристики.

2. Детектор гамма-излучения для работы при высокой температуре.

3. Установку для наполнения детекторов сверхчистым ксеноном.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на IV Семинаре по точным измерениям в ядерной спектроскопии (Вильнюс 1986), на Международном семинаре по космическому приборостроению (Фрунзе, 1989), на 21 Международной конференции по физике космических лучей (Аделаида, 1989),. на конференции "Приборы для экологии" (Ужгород 1992) и опубликойаны в 6 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 120 страниц, в том числе 42 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В диссертации приведен обзор сцинтиляционных и полупроводниковых детекторов гамма-излучения как , наиболее распространенных, показана перспективность разработки детекторов на основе сжатого ксенона, б частности, цилиндрической ионизационной камеры, наполненной сжатым ксеноном, для которой предварительные оценки показали возможность получить энергетическое разрешение порядка 1-2% для гамма-квантов с энергией 1МэВ.

В рамках развития методики применения сжатого ксенона в качестве рабочего вещества детекторов ионизирующих излучений, было проведено изучение свойств сжатого ксенона и исследование возможности создания детекторов на его основе. Полученные данные использовались для выбора состава рабочего газа для наполнения детектора. Установлено, что оптимальной является

смесь Хе+О.ЗЙ^с плотность» 0,4-0.5г/см^ (добавка . водорода позволяет увеличить скорость дрейфа электронов в несколько раз, что существенно увеличивает быстродействие детектора).

В результате взаимодействия гамма-кванта с рабочим веществом детектора образуется электрон-ионный объемный заряд. При работе в режиме электронного собирания форма импульса и амплитуда сигнала на выходе камеры, вследствии влияния индукционного эффекта, зависит от места образования заряда. Эта зависимость существенно ухудшает энергетическое разрешение цилиндрической ионизационной камеры. Для устранения индукционного эффекта традиционным является метод использования экранирующей сетки. Неоднородное электрическое поле цилиндрической камеры позволяет использовать и другие способы компенсации индукционного эффекта такие, как рекомбинация, захват электронов молекулами

электроотрицательных примесей, использование времени формирования импульса, уменьшенного по сравнению со временем формирования, необходимым для полного собирания заряда.

Конструкция детектора. Детектором гамма-излучения является цилиндрическая ионизационноя камера, заполненная сжатым ксеноном. ^

Назначение основных элементов детектора: корпус, изготовленный из нержавеющей стали, является основным несущим элементом детектора; заряд электронов образованный в результате взаимодействия гамма-кванта с ксеноном собирается на анодную нить; для изоляции анодной нити от корпуса, находящегося под высоким напряжением (15кВ) служат металлокерамические гермовводы; на торцах камеры размещаются фторопластовые изоляторы - один служит промежуточным звеном для крепления предусилителя к корпусу и является изолятором между ними, другой - изолятор между корпусом и экраном, в нем размещены■газовый ввод и высоковольтный контакт для подачи напряжения на корпус, контакт включает в себя высоковольтный разъем и сглаживающее сопротивление номиналом 20Г()м, являющееся элементом ИС фильтра, предназначенного для -ел^ажиа^тщд плзипжныу пульсаций напряжения, подаваемого на корпус камеры; для защит« детектора от электромагнитных наводок применяется экран, намотанный из алюминиевой фольги; для изоляции корпуса от экрана, применяется фторопластовая

лента, являющаяся одновременно диэлектрическим наполнителем в емкости ИС фильтра, которую образуют поверхность корпуса, намотка и экран (С=2нФ).

Одной из проблем, возникающих- при изготовлении детекторов, основанных на электронном собирании, является чистота рабочего вещества. Наличие электроотрицательных примесей приводит к зависимости собранного заряда от . места первичной ионизации. Для устранения такой зависимости количество электроотрицательных примесей в рабочем веществе

детектора не должно превышать 10"'® молярных долей ррт),

при этом временя жизни электронов до захвата их молкулами примесей составляет не менее 1мс.

Для достижения такой чистоты Хе в детекторе была создана установка подготовки и наполнения, которая состоит из трех независимых частей: системы вакуумной подготовки, системы очистки ксенона и приготовления смесей ксенона с водородом, и системы напуска.

Для получения и сохранения требуемой чистоты необходимо, чтобы внутреений объем детектора имел следующие вакуумные параметры: установившееся внутреннее давление

электроотрицательных примесей не выше 10~^тор., это требование выполняется при газовыделении с внутренних поверхностей не

более 10~~®тор*л/с. Для достижения таких параметров необходимо проведение специальной вакуумной подготовки. Вакуумная подготовка детектора проводится по классической схеме: промывка внутренней поверхности корпуса и поверхностей элементов, контактирующих с ксеноном, находящимся в детекторе; вакуумный отаиг прибора (проводился при температуре 400°С и

и давлении не выше 10"®тор).

Такая подготовка позволяет обеспечить сохранение чистоты ксенона на уровне, соответствующем времени жизни электронов в ксеноне >1мс, в течении длительного промежутка времени (годы).

Для получения ксенона высокой чистоты, применялась система очистки, которая состоит из 2-х частей:

1- предназначена для хранения "грязного" ксенона и предварительной его очистки Са геттером;

2- предназначена для смешивания ксенона с водородом (водород применялся для увеличения быстродействия детектора), гонкой очистки и хранения очищенной смеси.

Исходный ксенон предварительно очищался от примесей, продувом его через реактор, в котором находится стружка Са, нагретая до температуры 600°С, и фильтр для очистки газа от Са пыли.

Смешивание предварительно очищенного ксенона с водородом и сверхтонкая очистка смеси производятся в баллоне, в котором расположена электроискровая чистка.

Принцип работы электроискровой чистки заключается в следующем: на титановые электрода подается напряжение при котором возникает искровой разряд, сопровождающийся образованием мелкодисперсной титановой пыли. Образующаяся в результате горения разряда пыль покрывает внутренние стенки баллона. Поверхность каждой пылинки представляет собой чистую металлическую поверхность, которая связывает, главным образом химически, молекулы электроотрицательных примесей, находящихся в объеме, а также поглощает адсорбированные (физически связанные с внутренними поверхностями в баллоне) газы, к тому ке, сильно развитая поверхность такого покрытия способна работать как геттер и чистить новые порции газа не зажигая искры; кроме того, в искре происходит эффективный развал молекулярных примесей типа СО2, СН4 и т.п., что

ускоряет их поглощение. За несколько часов работы электроискровой чистки ксенон очищается до чистоты, соответствующей времени жизни электронов до захвата более 2мс. Очищенный газ хранится в баллоне, в котором алеется ионизационная камера для контроля за чистотой ксенона и электроискровая чистка для восстанобления чистоты ксенона в

Для элементов системы очистки (баллонов . и .коммутирующих элементов) проводится вакуумная подготовка. аналогичная1

подготовке дететора; отличие залючается в пониженной до

180-200°С температуре отжига из-за наличия фторопластовых деталей в системе.

При наполнении детекторов существуют проблемы с чистотой ксенона, обусловленные тем, что в процессе напуска рабочей смеси из баллона в детектор, газ при прохождении по коммутирующим элементам (вентилям, соединительным трубкам и т.п.) сильно загрязняеся. Система напуска (СН) предназначена для наполнения детектора, подсоединенного к ее выходному каналу, смесью ксенона с водородом, подготовленной в системе очистки. Система напуска позволяет обеспечить плотность

рабочей смеси в широких пределах (от 0,005 до 1г/см°) с чистотой, соответствующей времени жизни электронов до захвата не менее 1мс для детекторов с объемом до 5л.

Система напуска состоит из баллона объемом Юл (оборудован электроискровой чисткой, ионизационной контрольной камерой для контроля за чистотой ксенона и манометром), предназначенного для наполнения. детектора; двух баллонов объемом по 2л (каждый оборудован электроискровой чисткой и контрольной камерой), которые предназначены для очистки коммутирующих элементов; контрольной камеры (КК) для измерения чистоты газа к скорости дрейфа электронов на входе в детектор; манометра. .

Вакуумная подготовка для элементов СН проводится аналогично подготовке системы очистки.

Перед наполнением детектора производится газовая подготовка СН. Она заключается в наполнении баллонов ксеноном, подготовленным в системе очистки, очистке газа в баллонах и очистке коммутирующих элементов СН. Очистка коммутирующих элементов производится многократным наполнением их чистым ксеноном до давления 60-70атм; при этом: в КК измеряется его чистота, газ выдерживается в трубках 20-30 минут и собирается в баллон, прэдварительно охлажденный жидким азотом. Эта процедура выполняется до тех пор, пока не

будет достигнута чистота газа, соответствующая времени жизни электронов до захвата не менее 1мс. Обычно для очистки коммутирующих элементов требуется от 2 до 10 циклов перегонки из баллона в баллон.

Наполнение детектора проводится путем перепускания рабочего газа из Юл баллона в детектор. После напуска проводится измерение чистоты газа в детекторе, если чистота недостаточна, то газ собирается обратно, при необходимости чистится, и процесс наполнения повторяется до достижения необходимой степени чистоты (в цилиндрическом детекторе.как правило, после . первого наполнения при плотности 0,5

0,6г/см® газ имеет" чистоту, соответствующую времени жизни электронов не менее 1мс,

На всех стадиях подготовки смеси и наполнения детектора проводится контроль за чистотой газа . Критерием чистоты газа выбрано время жизни в нем свободных электронов. Измерение Бремени жизни свободных электронов в газе осуществляется следующим образом. В плоскопараллельной ионизационной камере (контрольной камере) импульсом рентгеновского излучения производится ионизация газа вблизи катода. Образованное при этом облако свободных электронов в поле камеры движется к аноду. В процессе движения электроны захватываются атомами электроотрицательных примесей. Время от момента образования электронов до их полного поглощения атомами примесей считается временем жизни. Время жизни определяется по длительности токового импульса, возникающего при движении свободных электронов в поле камеры. В плоской геометрии это достигается в полях порядка ЮВ/см. За время жизни электронов принимается длительность импульса от максимума до выхода на. нулевой уровень. Газ считается чистым, если время жизни электронов больше 1мс.

При измерении времени аизни электронов в цилиндрическом

заключается в использовании в качестве усилителя зарядочуствительного предусилителя, что вызвано необходимостью

измененная схема, отличие

выделять слабый сигнал на уровне больших шумов, т.к. интенсивность рентгеновского излучения после прохождения через стенку корпуса падает почти з 300 раз (в контольной камере после прохождения через алюминиевое окно - в 1,5 раза, через титановое - в 8 раз).

Измеренная величина времени жизни электронов неоднозначно связана со временем жизни электронов в больших полях, в которых происходит движение электронов в детекторах. Указанная связь определяется зависимостью сечения прилипания электронов к молекулам доминирующей примеси от энергии электронов. Так, сечение прилипания к кислороду имеет максимум при энергии электронов ОДэВ. Было высказано предположние, что в системах,'использующих для очистки газа активные гетеры (типа Са, Ш вероятность прилипания уменьшается с увеличением энергии электронов. Измерения времени жизни электронов в полях до ЗкВ/см показали, что время жизни электронов с ростом напряженности электрического поля не уменьшается.

Концентрация водорода определяеся по скорости дрейфа электронов, измеряемой в контрольной камере.

Ксенон - не идеальный газ, при надувании в детектор он адиабатически нагревается, поэтому практически невозможно с достаточной точностью предсказать значения плотности газовой смеси и концентрации водорода, которые получаются при наполнении детектора. Эти параметры измеряются после наполнения, когда газовая смесь приходит в равновесное состояние.

Исследование характеристик детектора и его калибровка. Целью экспериментов являлось: проверка работоспособности узлов и блоков детектора; выбор оптимальных значений напряжения питания . ионизационной камеры и времени формирования спектрометрического усилителя-формирвателя (УФ); исследование зависимости энергетического разрешения и эффективности детектора от энергии.

Для калибровки детектор облучался источниками гамма-излучения из стандартного набора ОСГИ и источником

226На. В лабораторном варианте в состав спектрометра гамма-излучения на основе цилиндрического детектора входят стандартные блоки в системе "Вектор" и специально разработанные блоки.

Основными элементами спектрометра являются: система питания, спектрометрический тракт и блок анализа.

Система питания предназначена для преобразования напряжения имеющихся источников, таких как аккумуляторы. Í2B1 сеть переменного тока 220В и т.п. в напряжения, необходимые для функционирования спектрометра. Она включает в себя, гадающий генератор (задает рабочую частоту тактовых и управляющих импульсов . преобразователей . напряжения, синхронизируя т.о."работу всех источников питания;; источник низковольтного питания.(дает на выходе ряд стабилизированных напряжений, необходимых для питания высоковольтных источников, усилителей спектрометрического тракта); источник высоковольтного питаний (служит для питания' ионизационной камеры напряжением 15-20кВ со стабильностью не хуже 0,2%).

Спектрометрический тракт служит для формирования я усиления сигналов, поступающих с детектора, до амплитуд, достаточных .для нормальной работы анализатора импульсов. Он состоит из зарядочувствительного предусилителя (ЗЧУ), преобразующего заряд, собранный с анода детектора, в импульс напряжения; усилителя спектрометрического (УФ), усиливающего и формирующего импульсы с ЗЧУ; восстановителя постоянной составляющей, устраняющего низкочастотные шумы; контрольного генератора, служащего для контроля за стабильностью и для калибровки спектрометрического тракта.

В качестве блока анализа использовался стенд настройки и спектрометра (СНК). СНК предназначен для настройки и испытаний гамма-спектрометра в процессе проведения его калибровки. Стенд включает в себя: управляющий вычислительный комплекс

крейт "Вектор"; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в стандарте Вектор БПА2-97; крейт "Камак"; серийные блоки "Камак" - таймер, счетчики, блок вывода графической информации

ЦДР-2; специально разработанные электронные блоки "Камак" -блок связи БС, блок команд БК; блок питания прибора; цветной графический дисплей (в его качестве использовался телевизионкы приемник).

Стенд обеспечивает следующие возможности: питание прибора от стабилизированного источника 27В; управление прибором с помощью подачи штатных команд; накопление спектров импульсов детектора одновременно с аппаратным выделением импульсов контрольного генератора; автоматический контроль напряжений и температур в конрольных точках прибора; визуализация набранных спектров на цветном графическом дисплее; интерактивная обработка спектров; хранение и сортировка файлов со спектрами и результатами их обработки на НГМД (носители на гибких магнитных дисках) и на НМЛ (носители на магнитной ленте); интерактивная обработка результатов калибровки с выводом калибровочных зависимостей в виде графиков и таблиц.

Программное обеспечение стенда представляет собой комплекс программ, позволяющих реализовать аппаратные возможности стенда в соответствии с его назначением. Основные функции стенда реализуются с помощью программ К1А и ТУ, работающих одновременно в двухзадачной среде (монитор ИТвОЕ'В): в оперативном и фоновом разделах, соответственно.

Программа К1А в режиме диалога с оператором выполняет команды, подаваемые с пульта. Команда К1А позволяют управлять набором и обработкой спектров. Обработка спектров включает экспресс-обработку в автоматическом режиме и полуавтоматическую обработку пиков, когда оператор задает границы фона для каждого пика и границы аппроксимаци пика методом наименьших квадратов. В качестве аппроксимирующей функции используется распределение Гаусса. Правильность обработки контролируется с помощью критерия Хи-квадрат.

Программа ТУ предназначена для визуализации спектров на цветном графическом дисплее. Программа ТУ работает в фоновом разделе и периодически обновляет информацию на экране.

Калибровка спектрометра проводилась в два этапа. На первом .этапе определялись параметры газовой смеси, выбирались

оптимальные значения напряжения на корпусе ионизационной камеры и времени формирования линейного усилителя (ЛУ$); исследовались факторы, определяющие энергетическое разрешение детектора. На' втором этапе исследовались свойства детектора, такие, как влияние температуры на характеристики детектора, влияние магнитного поля на характеристики детектора.

Такая последовательность обусловлена следующими соображениями: как указывалось выше, практически невозможно с достаточной точностью предсказать значения плотности газовой смеси и концентрации водорода, которые получаются при наполнении детектора. Следовательно, невозможно заранее указать и оптимальное значение напряженности поля в камере. Зависимости предельного энергетического разрешения и скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля выходят на плато при больших значениях Е - при увеличении напряжения скорость дрейфа стремиться к своему максимальному значению, предельное энергетическое разрешение, при прочих разных условиях, - к минимальному. Т.е. следует подавать на камеру возможно большой напряжение. С другой стороны, чем выше напряжения, подаваемые на электроды камеры, тем больше вероятность возникновения токов утечек по поверхностям изоляторов," что приводит к резкому увеличению шумов и ухучшенкю , разрешения, а также вероятность электрических пробоев, которые могут привести к сгоранию элементов спектрометрического тракта и его выходу из строя. Поэтому, следует стремиться к тому, чтобы напряжение на камере было как можно меньше. Для того, чтобы выбрать рабочее значение напряжения, необходимо построить зависимость скорости дрейфа электронов в камере, а также зависимость энергетического разрешения спектрометра, от напряжения на катоде.

Е данной работе большинство характеристик детектора снималось на гамма-линии 662КэВ от источника 137Сз. Одновременно с источником гамма-излучения набирался пик—от импульсов контрольного генератора, который характеризует работу всего электронного тракта от детектора до амплитудного анализатора. После обработки полученных спектров были

построены зависимости энергетического разрешения, эффективности и положения пика от энергии '.гамма-квантов и напряжения на катоде камеры.

Изучение свойств цилиндрических ионизационных камер проводилось на камерах двух типоразмеров с внутренним диаметром катода 30мм и 50мм.

Для цилиндрической ионизационной камеры, в предельном случае, индукционный эффект (зависимость амплитуды сигнала от места образования заряда) ' существенно ограничивает энергетическое разрешение, например, для камеры имеющей следующие размеры: диаметр катода 50мм, диаметр анода 200мкм предельное разрешение составляет 6,3^. Чтобы уменьшить влияние индукционного эффекта традиционным является метод использования экранирующей сетки.. Однако применение экранирующей сетки имеет ряд существенных недостатков: установка такой сетки является технически весьма сложной задачей и при этом теряется одно из основных преимуществ цилиндрической камеры - простота и технологичность; вдобавок, сетка является источником дополнительных шумов, связанных с воздействием аккустики и вибрации.

Неоднородное электрическое поле цилиндрической камеры позволяет использовать и другие способы компенсации индукционного эффекта такие, как рекомбинация, захват электронов молекулами электроотрицательных примесей, использование уменьшенного времени формирования импульса, по сравнению с временем формирования, необходимым для полного собирания заряда.

В ПТЭ 1991 для цилиндрической камеры на жидком ксеноне показана возможность улучшить разрешение путем введения электроотрицательных примесей; однако, для газонаполненных детекторов дозированная добавка таких примесей сложна технически, и их дальнейшее содержание в объеме трудно прогнозировать, например, их молекулы могут адсорбироваться на стенки камеры и таким образом /станиться из рабочего объема.

Для камеры, имеющей следующие размеры: диаметр катода

30мм, диаметр анода 100мкм, расчет методом Монте-Карло "предсказывает значительное улучшение энергетического разрешения за счет рекомбинации (до {% на 1МэВ) в режиме полного собирания электронов (постоянная времени формирования 18.7мкс > полного времени собирания (около 7мкс)) при

Л

плотности ксенона 0,55г/см° и концентрации водорода 0,5%. Был

л

проведен эксперимент в диапазоне плотностей 0,5-0,8г/см", концентрации водорода 0,45-1$, напряжений 5-14,5кВ, который не показал улучшения энергетического разрешения. Отрицательный результат можно объяснить следующими причинами: при проведении расчета были сделаны следующие предположения: скорость дрефа электронов постоянна во всем объеме детектора, время формирования бесконечно большое; на самом деле скорость дрейфа электронов становилась постоянной в лучшем случае на расстоянии от анода менее Эмм, т.е. расчет не учитывает влияние времени формирования и зависимость скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля в детекторе.

Компенсация укорачиванием времени формирования импульса. Существование оптимальных значений времени формирования можно объяснить следующим образом. Формирование электрического сигнала происходит на протяжении всего времени собирания объемного заряда. Форма 'электрического- импульса зависит от расстояния места образования объемного заряда до анода, Один и тотже заряд, в зависимости от расстояния до анода, наводит сигнал разной амплитуды, но т.к. на начальном участке, который дает основной вклад в разброс амплитуд, фронт очень пологий, то, уменьшая время формирования, что в первом приближении можно рассматривать как дифференцирование, можно обрезать пологий участок и т.о. скомпенсировать индукционный эффект; однако при очень малых значениях времени формирования получить хорошее энергетического разрешение нельзя, так как в этом случае из-за уменьшения величины электрического сигнала, при том же значении напряжения, ухудшается соотношение сигнал - шум, а также начинает

сказываться влияние формы объемного заряда, что приводит к дополнительному ухудшению разрешения. Поэтому существует оптимальное значение времени формирования и улучшение энергетического разрешения удается достичь лишь при вполне определенных значениях времени формирования. Была снята зависимость энергетического разрешения от времени формирования. Для кривой, относящейся к измерениям при рабочем напряжении 15кВ наблюдается явный минимум при т=4-7мкс. На основании полученных данных были выбраны рабочие параметры для данной камеры: и=15кВ и т=6,4мкс. При этом энергетическое разрешение, за вычетом шумов электроники, что определяется шириной генераторного пика, составляет примерно 4%.

Для проверки линейности детектора была снята зависимость положения пика полного поглощения от энергии регистрируемых гамма-квантов. Измерения выполнены при напряжении питания 15кВ, времени формирования 6,Факс и температуре 25°С. Представленные данные хорошо апроксимирукггся линейной зависимостью.

Влияние температуры на свойства детектора. При проведении температурных испытаний детектор помещался в термокамеру. Температура варьировалась в диапазоне 20-170°С. Верхний предел температуры определялся прочностными возможностями камеры.

3 указанном диапазоне температур с ростом температуры быстродействие детектора при максимальном рабочем напряжении на катоде (15кВ) растет с 13мкс при 25°С до 7мкс при 165°С.

Энергетическое разрешение. Были проведены измерения энергетического разреиения в зависимости от температуры для различных значений времени формирования при рабочем напряжении 15кВ. Для т=6,4 и 12,8мкс изменению температуры в диапазоне 25-170°С соответствует ухудшение энергетического разрешение почти в полтора раза, а для т=3.2мкс оно остается практически неизменным на уровне 3-4%. Следует также отметить, что при температурах о'олее 50"С наблюдается улучшение

энергетического разрешения до величины 3.3%. Влияние температуры на энергетическое разрешение можно объяснить тем, что с ростом температуры зависимости скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля выходят на плато при меньших значениях напряженности, что приводит к уменьшению времени собирания электронов и уменьшению влияния формы объемного заряда.

Временная термостабильность детектора. При температурных • измерениях было изучено поведение основных характеристик детектра на протяжении длительно времени - 100 часов. Установлено, что длительное пребывание детектора при высоких температурах не влияет на его основные характеристики.

Влияние продольного магнитного поля на характеристики детектора. Для изучения влияния продольного магнитного поля на характеристики детектора детектор помещался внутрь двух соленоидов, имеющих каждый, по 500 витков; на соленоиды подавался ток 4А (В=500Э). Источник гамма-излчения 137Сз помещался в промежутке между катушками. Проводились сравнительные измерения с током (с включеным магнитным полем) и без тока; изменений в положении пиков 137Сз и генератора и величине разрешения не замечено.

ВЫВОДУ

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

1. Создан детектор линейчатого гамма-излучения на основе цилиндрической ионизационной камеры высокого давления, в качестве рабочего вещества которой используется сжатый ксенон

плюс 0,3% водорода с плотностью до 0.6г/см3. Детектор позволяет проводить исследование энергетических спектров гамма-излучения в интервале энергий 0.1 - 5МэВ с высоким энергетическим разрешением - 3,5$ ' для гамма-квантов с энергией 1МэВ;--------

2. Исследованы физические характеристики детектора:

- быстодейстие детекторов с диаметром катода 30мм и 50мы

для ряда значений плотностей лсенона и концентраций водорода;

- проверена возможность компенсации индукционного эффекта в цилиндрической ионизационной камере: рекомбинацией; использованием укороченного времени формирования импульса, по сравнению с тем, которое требуется для полного собирания заряда;

- подобраны оптимальные значения рабочей смеси - Хе+О.З/Шд

с плотностью 0,4г/см®, напряжение на катоде камеры U=15kB, постоянная времени формирования усилителя-формирователя спектрометрического тракта т=6,4мкс.

3. Проведена калибровка детектора с помощью источников гамма-излучения различных энергий:

- измерена зависимость энергетического разрешения от энергии гамма-квантов (для 862КэВ - 4%, для 1МэВ - 3,5$);

- найдена зависимость положения пика полного поглощения от энергии.

4. Исследовано влияние температуры на параметры детектора:

- измерена зависимость энергетического разрешения от напряжения на камере и значений постоянной времени формирования в диапазоне температур 25-170°С, установлено, что в указанном диапазоне температур разрешение детектора слабо улучшается и составляет 3,5-4% для энергии 662КэВ при температуре 70-170|>С;

5. Исследовано влияние продольного .магнитного поля на параметра детектора, установлено, что при магнитном поле В=500Э параметры детектора не меняются.

Основные положения диссертации опубликованы в -6 печатных работах.

1. Дмитренко В.В., Романюк A.C., Сучков С.И., Утешев З.М. "Подвижность электронов в газообразной ксеноне высокой плотности." - ЖГ$, 53, 1983, N12, с.2343-2350.

2. Болотников А^Е., Дмитренко В.В., Романюк A.C., Сучков С.И., " Утешев З.М. "Энергетическое разрешение rauua-спектрометров на сжатом ксеноне." - В кн.: Физика

высоких энергий. M.: Энергоатомиздат, 1984, с.81-90.

3. Болотников А.Е., Роыанюк A.C., Сучков С.И., Утешев З.Ы. "Рекомбинация и подвижность свободных электронов в смесях Хе-Н2." - В кн.: Космофизические исследования.

М.: Энергоатомиздат, 1988, с.83-88. •

4. Болотников А.Е., Дмитренко В.В., Романюк A.C., Сучков С.И., Утешев З.Ы. •"Факторы, определяющие энергетическое разрешение гамма-спектрометров на сжатом ксеноне при

плотностях > О.бг/см3." - И1Э, 1986, N4, с.42-45.

5. Болотников А.Е., Дмитренко В.В., Романюк A.C., Сучков С.И., Утешев З.М. "Электрон-ионная рекомбинация на следах электронов в сжатом ксеноне." - ЕГФ, 1988, Т.58, с.734-742.

8. Болотников А.Е., Дмитренко В.В., Власик К.Ф.. Гальпер A.M., Грачев В.М., Комаров В.Б./ Кондакова О.Н., Кривов C.B., Сучков С.И., Улин С.Е., Утешев З.М., Вркин В.Т. "Гамма-детектор цилиндрической конфигурации на скатом ксеноне." - тезисы докладов конференции "Приборы для экологии - 92", Ужгород 1992, с.12

Яодадсаяо s печать .5 12. ^2- Заказ У Тарах (СС

Типография 1№И, Каширское шоссе, 31