Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профильного образования
«Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
Факультет Экспериментальной и Теоретической
физики
Кафедра №11:
«Экспериментальные методы ядерной физики»
Код УДК: 539.12
Код ОКП: 20ВТ70113
«Исследование зависимости
коэффициента газового усиления от напряжения на электродах газонаполненных
пропорциональных детекторов тепловых нейтронов СНМ-5 и СНМ-16 в диапазоне
напряжений 0,1-1,4 кВ»
Отчет по выполнению
научно-исследовательской работы студента
№ отчета 3
Инвентарный номер: Т70113
Исполнитель
_____________ Клейменова А.А., студентка группы Т7-11
(подпись)
Руководитель _____________
Шарапов М.П., ведущий инженер каф
№11
(подпись)
Утвердил _____________
к. ф.-м. н., доцент Рунцо М.Ф.
(подпись)
Комиссия
________________________________________________________
(подписи)
Москва, 2013
РЕФЕРАТ
Объектом исследования в данной
научно-исследовательской работе являются газонаполненные пропорциональные
детекторы, которые являются широко распространенными приборами для регистрации
ионизирующих излучений.
Перед исполнителем данного НИРС
ставилась следующая цель: исследование основных характеристик пропорционального
газонаполненного детектора СНМ-5, заполненного газом BF3 до
давления 0,027МПа, и СНМ-16, заполненного смесью двух газов 3He(97%) и Ar(3%) до давления 0,7 МПа, используемых для
регистрации тепловых нейтронов.
Отчет
состоит из 27 страниц, включает в себя 3 таблицы, 1 рисунок и 4 графика.
В ходе работы были проведены
литературный поиск и патентный обзор. По результатам патентного поиска был
сделан вывод о слабом интересе изобретателей к данным детекторам. В ходе
литературного поиска были обнаружены статьи, посвященные теоретической зависимости
коэффициента газового усиления в детекторах с цилиндрической геометрией от
напряжения на электродах.
По итогам проведенных экспериментов
были построены зависимости коэффициентов газового усиления от напряжения на
электродах для счетчиков СНМ-5 и СНМ-16, которые согласуются с упомянутой выше
теоретической зависимостью.
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация........................................................................................................ 4
Определения..................................................................................................... 4
Обозначения
и сокращения............................................................................. 5
Введение........................................................................................................... 6
Литературный обзор........................................................................................ 7
Описание
установки......................................................................................... 8
Описание
эксперимента................................................................................. 10
Заключение..................................................................................................... 11
Список используемой литературы................................................................. 12
Приложение А(патентный поиск).................................................................. 13
Приложение Б(расчеты)................................................................................. 21
АННОТАЦИЯ
Целью НИРС является
исследование основных характеристик пропорционального газонаполненного
детектора СНМ-5, заполненного газом BF3 до
давления 0,027 МПа, и СНМ-16, заполненного смесью газов 3He(97%) и Ar(3%) до давления 0,7 МПа, используемых для
регистрации тепловых нейтронов.
Объектом исследования стал
газонаполненный счетчик. Исследовалась одна из основных его характеристик –
коэффициент газового усиления. Были построены зависимости коэффициента газового
усиления от напряжения для обоих счетчиков.
К работе также прилагается
патентный поиск.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Газонаполненный
пропорциональный детектор - детектор, работающий в режиме
газового усиления и представляющий собой наполненную газом оболочку, в объем
которой введены два или три электрода.
Газовое усиление - увеличение
количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные
электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают
энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды
детектора. Характеризуется коэффициентом газового усиления, равным отношению
полного числа пар ионов в лавине к числу пар ионов, первоначально созданных
регистрируемой частицей.
Ударная
ионизация —
физическая модель, описывающая ионизацию атома при ударе о него электрона (или
другой заряженной частицы — например, позитрона, иона или «дырки»).
Определения были взяты из [1].
ОБОЗНАЧЕНИЯ
И СОКРАЩЕНИЯ
НИРС – научно-исследовательская работа студента
M –
коэффициент газового усиления
Qпд –
величина заряда на выходе газонаполненного пропорционального детектора
Qик – величина
заряда на выходе газонаполненного пропорционального детектора, работающего в
режиме ионизационной камеры в отсутствии газового усиления
ΔV –
амплитуда импульса напряжения, поступающая с генератора на вход предусилителя
через дозирующую емкость
Cдоз –
дозирующая емкость
T+ -
время дрейфа ионов из области ударной ионизации до катода
T- - время
дрейфа электронов первичной ионизации от катода к аноду
a – диаметр
анода
b – диаметр
катода
P –
давление газа/газовой смеси
K – постоянная
величина, равная отношению Eкр/P
ΔV1 – постоянная
величина, равная разности потенциалов, которую проходит электрон между двумя
последовательными процессами ионизации.
ВВЕДЕНИЕ
Газонаполненные детекторы являются широко
распространенными приборами для регистрации ионизирующих излучений. В настоящее
время они продолжают использоваться в экспериментальной физике, а так же,
например, для гамма-каротажа скважин. Проведенный патентный обзор (смотри
Приложение Б) указывает на то, что газонаполненные детекторы представляют
некоторый интерес для изобретателей, однако создаются более совершенные модели
детекторов, например координатные пропорциональные камеры, которые используются
несколько чаще.
В данной работе исследуются основные свойства
газонаполненного пропорционального детектора, а именно – коэффициент газового
усиления. В качестве исследуемых
счетчиков были выбраны СНМ-5, заполненный газом BF3 до давления 0,027МПа, и
СНМ-16, заполненный смесью газов 3He (97%) и Ar
(3%) до давления 0,7МПа. Построены
зависимости заряда на выходе детектора от напряжения на его электродах
для обоих счетчиков, а так же зависимости коэффициента газового усиления от напряжения
на электродах.
В детекторе с газовым усилением заряд Q, индуцированный во
внешней цепи, будет пропорционален энергии потерянной заряженной частицей Еп, только в случае, если
каждый первичный электрон независимо от места его образования создает в
процессе усиления в среднем одно и то же количество пар ионов. Такое условие
выполняется, в частности, в детекторах цилиндрической формы, в которых диаметр
катода – цилиндра много больше диаметра
анода – металлической нити, натянутой по оси цилиндра.
Величина заряда Q, а также его изменение во времени, определяющее временные характеристики
цилиндрического детектора с газовым усилением, зависят от сопротивления
нагрузки R во внешней цепи и
эквивалентной емкости С (суммарная
емкость детектора и цепей, подключенных к нему).
Так как развитие лавин идет у анода на
расстояниях, равных нескольким диаметрам нити, путь дрейфа электронов до анода
оказывается малым. Поэтому основной вклад в величину заряда Q дает ток, возникающий
во внешней цепи от дрейфа ионов к катоду.
Вероятность вторичных процессов на катоде в
пропорциональном детекторе характеризуется коэффициентом γ, который
существенно зависит от материала катода и свойств газа, наполняющего детектор
(γ ~ 10-4). Коэффициент газового усиления с учетом вторичных
процессов M определяется как
М = m/(1-γm) (1)
Коэффициент газового усиления М зависит от напряжения U0, приложенного к
электродам пропорционального детектора, причем так, что незначительная
нестабильность (дрейф) источника питания может привести к существенным
изменениям коэффициента М.
Коэффициент газового усиления М определяют экспериментально методом
сравнения величин заряда на выходе газонаполненного пропорционального детектора
Qпд и того же детектора,
работающего в режиме ионизационной камеры в отсутствие газового усиления Qик:
М = Qпд/Qик (2)
Соотношение (2) справедливо при условии полного
собирания индуцированного заряда во внешней цепи детектора, то есть при RC >> Т +. На практике для
формирования сигнала величину RC
обычно выбирают в границах Т -
<< RC << Т +. Это приводит к неполному
собиранию индуцированного заряда. Однако такой режим позволяет, во-первых,
собрать значительную часть заряда от максимально возможного, во-вторых,
уменьшить длительность импульса напряжения на выходе детектора по сравнению с
режимом полного собирания, в-третьих, сохранить независимость амплитуды
импульса от ориентации трека в объеме детектора, то есть сохранить режим
пропорциональности.
Для камер с цилиндрической геометрией (а именно
такие рассматриваются в данной работе) существует теоретическая зависимость
коэффициента газового усиления от напряжения. В своей работе в 1956 году W.
Diethorn представил зависимость коэффициента газового усиления от напряжения на
электродах. Помимо теории W. Diethorn существовало
еще как минимум две теоретических зависимости – теоретическая зависимоть Rossi-Korff
и модифицированная зависимость Rossi-Korff.
В работе Robert W. Kiser
экспериментально
была проверена теория W.Diethorn и
было показано, что эта теория наиболее корректно описывает экспериментальные
данные (см [3]). Зависимость выглядит следующим образом:
, (3)
где
ΔV1 и K – газовые константы.
Так же в литературном поиске были найдены эти газовые константы для BF3 и оценены для 3He+Ar.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Для сравнения полученных результатов
использовалась теоретическая зависимость (3), указанная в [4]. Данное выражение
показывает хорошее соответствие результатам многих экспериментов, потому и
используется для сравнения. В приложении Б приводится построение этой
зависимости в условиях настоящего эксперимента.
Так же в статьях из списка литературы (стр. 12)
можно посмотреть вид зависимости для данных газов/смесей (присутствуют различия
в давлении, диаметре катода/анода, процентном содержании газов в смеси).
Данная теоретическая зависимость коэффициента
газового усиления от напряжения на электродах содержит две константы ΔV
и K.
Данные константы, как правило, определяются из эксперимента. Так как целью
данной работы было исследование самой зависимости, а не определение констант,
были использованы газовые константы, полученные в экспериментах другими учеными
ранее, например статьи [3],[4],[5] содержат подобную информацию. Оценка
констант в случае гелийаргоновой смеси приводилась исходя из рассуждений в
статье [3]. Газовые константы для BF3 были взяты из [5].
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Функциональная схема установки приведена на рис.
1.
Рисунок 1. Функциональная схема установки: 1 – детектор СНМ-5, 2 –
СНМ-16, 3 – выпрямитель БНВ2-95, 4 – предусилитель БУС-96, 5 - генератор ВБ2-07, 6 – усилитель
БУС2-47, 7 – осциллограф С1-83, 8 - экспандер-формирователь БУС2-06, 9 –
амплитудный анализатор ПК.
Детекторы СНМ-5 и СНМ-16 расположены в каналах
парафинового блока. В центральном канале парафинового блока помещен
радиоактивный препарат Pu-Be,
испускающий быстрые нейтроны (активность 1,6*105Бк), которые
замедляются практически до тепловых. Парафиновый блок окружен со всех сторон
листовым кадмием.
Счетчик СНМ-5 находится от источника
нейтронов на расстоянии R1=(50±5) мм, СНМ-16 на
расстоянии R2=(120±5)мм.
С помощью переключателя, размещенного в коробке
на крышке парафинового блока, аноды детекторов поочередно подключаются к входу
зарядочувствительного предусилителя БУС2-96. Коэффициент преобразования заряда
в напряжение предусилителя БУС2-96 равен ~ 1,2·1012 В/Кл.
Высокое напряжение отрицательной полярности
одновременно подается на катоды детекторов от выпрямителя БНВ2-95 со
стабилизацией напряжения ± 0,01%. Выходное напряжение блока регулируется в
пределах от 0,1 до 2,5 кВ.
Полярность импульсов, поступающих от детекторов
на предусилитель – отрицательная. С выхода предусилителя импульсы поступают на
разъем «вход Б» основного усилителя БУС2-47, коэффициент усиления которого
изменяется в пределах от 4 до 2048 с помощью ступенчатого переключателя
коэффициента усиления «грубо» и регулятора плавного изменения коэффициента
усиления «плавно» от 0,5 до 1 в пределах каждой ступени.
В схеме усилителя предусмотрен блок формирования
импульсов, состоящий из интегрирующей tи
(tи ³ 0,05 мкс) и
дифференцирующей tд (tд ≤ 12,8 мкс)
цепочек. Параметры формирующих цепей устанавливаются с помощью переключателей
«Дифф. мкс» и «Интегр. мкс». С выхода
усилителя БУС2-47 импульсы положительной полярности подаются на вход
формирователя БУС2-06, который выполняет функции дискриминатора нижнего уровня,
формирователя и усилителя сигналов. «Выход экспанд.» блока БУС2-06 подключен к
входу канала I осциллографа С1-83. С
выхода «Выход формир.» блока БУС2-06 сформированные и усиленные в 2,5 раза
сигналы подаются на вход многоканального амплитудного анализатора импульсов.
Измерение индуцированного заряда во внешней цепи
детектора, возникающего при регистрации нейтронов, основано на его сравнении с
зарядом, поступающим в эту же цепь от генератора ВБ2-07, выход «ослабленный»
которого через дозирующую емкость Сдоз=1пФ
(размещенную в предусилителе) соединен со входом предусилителя БУС2-96.
Полярность импульсов генератора – отрицательная. Для измерения
амплитуды импульсов от генератора используется канал II осциллографа С1-83.
Таблица 1
|
Прибор |
Параметр |
Значение |
Примечание |
|
БУС2-47 |
Переключатели
«Дифф мкс.» и «Инт. мкс.» Тумблер
«Дифф. мкс» Усиление |
3,2 мкс (оба
переключателя) Тумблер в
положение I |
Коэффициент
усиления менялся в процессе эксперимента следующим образом: Для СНМ-5 с 0,1кВ по
0,8кВ – 256 1,0кВ – 128 1,2кВ – 64 1,4кВ – 32 Для СНМ-16 0,1-0,8кВ –
512 1,0кВ – 256 1,2кВ – 128 1,4кВ – 64 |
|
ВБ2-07 |
«Частота» |
140Гц |
Без
изменений |
|
С1-83 |
Каналы I и II |
|
Канал I
используется для сравнения амплитуд импульсов на выходе от детектора и
генератора, канал II используется для измерения амплитуд генераторных
импульсов, поступающих на Cдоз |
ОПИСАНИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследование
зависимости коэффициента газового усиления от напряжения на электродах
проводилось следующим образом. Коэффициент газового усиления может быть
определен, как:
(4)
Соответственно
для нахождения Qпд
и Qик
был использован следующий метод:
На детектор подается 0,1кВ и на
генераторе БВ2-07 устанавливается частота 140Гц. Варьируя плавную регулировку
амплитуды на ВБ2-07, подбирается амплитуда генераторных импульсов на выходе
усилительного тракта, равная максимальным амплитудам импульсов с детектора.
Предполагается, что если амплитуды импульсов с генератора и детектора
совпадают, то
(5)
По
осциллографу измеряем ΔV
– амплитуду импульса напряжения, поступающую с генератора на
вход предусилителя через дозирующую емкость Cдоз. Для этого
используем канал II
осциллографа С1-83. Заряд находим по формуле
(6)
По
снятым данным в программе «Mathcad14»
для обоих счетчиков были построены графики зависимости Q от V. По графику Q(V) определялся режим насыщения. За Qик принималось
значение Q
в насыщении и по формуле (4) рассчитывались величины коэффициента газового
усиления M,
далее были рассчитаны ошибки этих величин и построены графики зависимости
коэффициента газового усиления M
от величины напряжения на электродах V (см. приложение Б и таблицу 2).
Таблица
2
|
СНМ-5 |
|||||
|
V, кВ |
ΔV, мВ |
Q,10-15Кл |
σ(Q),10-15Кл |
M |
σ(M) |
|
0,1 |
4 |
4 |
0.4 |
0.593 |
0.057 |
|
0,2 |
6.5 |
6.5 |
0.7 |
0.963 |
0.093 |
|
0,4 |
7 |
7 |
0.7 |
1.037 |
0.100 |
|
0,6 |
10 |
10 |
1 |
1.481 |
0.143 |
|
0,8 |
16 |
16 |
1.6 |
2.370 |
0.229 |
|
1 |
35 |
35 |
3.5 |
5.185 |
0.500 |
|
1,2 |
50 |
50 |
5 |
7.407 |
0.714 |
|
1,4 |
82 |
82 |
8.2 |
12.148 |
1.171 |
|
СНМ-16 |
|||||
|
0,1 |
3 |
3 |
0.3 |
0.522 |
0.100 |
|
0,2 |
3.9 |
3.9 |
0.4 |
0.678 |
0.133 |
|
0,4 |
5.5 |
5.5 |
0.6 |
0.957 |
0.167 |
|
0,6 |
6 |
6 |
0.6 |
1.043 |
0.200 |
|
0,8 |
7.3 |
7.3 |
0.7 |
1.270 |
0.267 |
|
1 |
18 |
18 |
1.8 |
3.130 |
0.600 |
|
1,2 |
46 |
46 |
4.6 |
8.000 |
1.733 |
|
1,4 |
68 |
68 |
6.8 |
11.826 |
2.133 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были получены зависимости коэффициента
газового усиления от напряжения на электродах для двух газонаполненных
пропорциональных детекторов СНМ-5 и СНМ-16. Полученные значения совпадают с
предполагаемыми по порядку величины. Однако различаются более чем на 10%
(погрешность измерения напряжения по осциллографу С1-81). Наилучшее
соответствие с теоретической зависимостью наблюдается в пределах напряжения от
0,1 до 1,2 кВ в случае СНМ-16 и в пределах 0,1-1,0 кВ для СНМ-5
Подобные различия можно объяснить сложностью совмещения
сигналов с генератора и с детектора на экране осциллографа. Сложность состояла
в том, что сигнал с детектора представлял собой множество сигналов разной
амплитуды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1]. В. Г. Бондаренко, Газонаполненный пропорциональный детектор нейтронов [Текст]: лабораторная работа. -
Москва: МИФИ, 2009. - ISBN 978-5-7262-1163-3
[2].
Инструкция по безопасности труда для студентов, проходящих лабораторный
практикум на кафедре №11 НИЯУ МИФИ. [Текст]: Регистрационный
номер
инструкции: II-1988-85-БТ.
[3]. Robert W. Kiser, Characteristic parameters of
gas-tube proportional counters, Appl. Sei. Res, Section B, Vol 8, 1959.
[4].
S.S. Desai, A.M.
Shaikh, On studies of 3He and isobutane mixture as neutron
proportional counter
gas, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A 557 (2006)
607–614
[5]. S. S. Desai and A.M. Shaikh, Investigations on 3He Filled Proportional
Counters Aimed at Various Neutron Applications, NSNI 2010
[6].
G.F. Knoll, Radiation
Detection and Measurement, second ed.,Wiley, New York, 1989
[7]. Rossi,
B. B. and H. H. Staub, Ionization Chambers and Counters, McGraw-Hill Book Co.,
Inc., New York 1949