МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский
ядерный университет
«МИФИ»
Факультет
Экспериментальной и Теоретической физики
Кафедра №
11:
«Экспериментальные
методы ядерной физики»
Специальность:
«Физика атомного ядра и частиц»
Направление:
«Ядерная
физика в технологии» (140800.68)
УДК: 621.387+537.567+537.56+539.1.074.22
Код
ОКП: 20ВТ70116
Регистрационный
номер: 2013.Т07-11.6
Инвентарный
номер: 6
«Измерение аппаратурной
формы линии газовой импульсной ионизационной камеры с сеткой, наполненной
аргоном, при регистрации α-частиц (с энергией 5,15 МэВ)»
Отчет о научно-исследовательской работе
студента
(подпись)
Исполнитель ___________ Солодовников
А.А., студент группы Т7-11
(подпись)
Руководитель
___________ Шарапов М. П., ведущий
инженер
(подпись)
Утвердил ___________ к.ф.-м.н., доцент, Рунцо М. Ф.
Первый Зам.
Зав. Кафедрой № 11
(ФИО, подпись,
дата)
Оценка НИРС
руководителем:
___________________________________________
Оценка НИРС комиссией:
_______________________________________________
Председатель комиссии:
_________________________________________________
Москва, 2013
РЕФЕРАТ
Отчет
содержит в себе результаты измерения аппаратурной формы линии газовой импульсной
ионизационной камеры с сеткой (межэлектродное
расстояние 0,02 м), наполненной аргоном, при регистрации α-частиц (с
энергией 5,15 МэВ, источник излучения 239Pu). Измерение произведено
таким образом, что относительная погрешность количества отсчетов в максимуме
распределения импульсов по амплитудам не превышает 4%.
Проведен
сравнительный анализ экспериментально полученной аппаратурной формы линии с
теоретически выведенной моделью, а также с данными из аналогичных
экспериментов, проведенных другими научными группами.
Для
данной области также проведено соответствующее патентное исследование.
Объем:
26 стр.: 7 иллюстраций (5 в приложениях); 1 таблица;
11 формула (5 в приложениях); 4 источников; 3 приложения.
Ключевые
слова: ионизационная камера,
газонаполненная камера, импульсная камера, плоская камера, камера с сеткой.
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация
…………………………….………..……………………………….....................................4
Определения ………………………..………………….……………………….................................. 5
Обозначения
и сокращения ……..……………………………………………………………………… 6
Введение
……………………………………………….……………………....................................... .7
Описание
установки и методики проведения эксперимента ……………........…… 8
Экспериментальная
часть …...….…………………………………………….......................... 10
Заключение
…………..………………………………………….…………..……………………………….. 13
Список
использованной литературы ……………………………...…………………………….. 14
Приложение
1. Патентные исследования …………….…………...…………………………. 15
Приложение
2. Расчеты величин,
необходимых для проведения
и анализа эксперимента ………………………………………………………………………………… 24
Приложение
3. Компакт-диск, содержащий электронные копии документов, разработанных в
рамках настоящей НИРС.
АННОТАЦИЯ
Данная
научно-исследовательская работа выполнена на основе лабораторной установки
«Ионизационная камера», которая входит в комплекс учебных лабораторных работ в
лаборатории «Методы регистрации излучения» кафедры №11 НИЯУ МИФИ.
Описание физического обоснования эксперимента
приведено в лабораторном практикуме по курсу «Экспериментальные методы ядерной
физики», лабораторная работа «Ионизационная камера».
Объектом
исследования является газонаполненная плоская ионизационная камера с сеткой.
Проведены патентные исследования, так же
прилагаемые к данной работе.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящем отчёте о НИРС используются
следующие термины с соответствующими определениями:
· Ионизационная
камера – детектор для регистрации и спектрометрии ионизирующих
частиц методом измерения величины ионизации (числа
пар ионов), производимой этими частицами в газе.
· Режим
насыщения – режим работы ионизационной камеры, при котором амплитуда напряжения на
выходе детектора не зависит от напряжения на электродах камеры.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
НИРС
– научно-исследовательская работа студента.
Uk – напряжение на катоде ионизационной
камеры, кВ;
Uc – амплитуда
напряжения на выходе детектора, В;
ΔUc –
абсолютная погрешность амплитуды напряжения на выходе детектора, B;
tf – время
нарастания фронта импульсов на выходе детектора, мкс;
Δtf – абсолютная погрешность времени
нарастания импульсов на выходе детектора, мкс;
T - – время собирания электронов в камере,
мкс;
τд – постоянная дифференцирования формирователя импульсов, мкс;
τи – постоянная интегрирования формирователя импульсов, мкс;
Texp – время
набора спектра, мин.
Введение
Данная
научно-исследовательская работа (далее НИРС) основана на лабораторной работе
«Ионизационная камера» в лаборатории методов регистрации излучения кафедры № 11
НИЯУ МИФИ [1].
Импульсная
ионизационная камера – это детектор, действие которого основано на измерении
заряда, создаваемого заряженными частицами в его рабочем веществе. Газовая
ионизационная камера представляет собой замкнутый объем, наполненный рабочим
веществом – газом, как правило – электроположительным, с размещенными в нем
двумя или несколькими электродами различной конфигурации. Импульсные
ионизационные камеры обычно применяются для регистрации сильноионизирующих,
короткопробежных частиц.
ИИК
применяются для регистрации всех видов излучения. Из-за того, что ИИК обладают
хорошей чувствительностью и точностью для практических целей при малом времени
калибровки, они получили большое распространение. Камеры позволяют
регистрировать излучение как прямым, так и косвенным методом, а так допускают
два вида работы – в токовом и импульсном режиме. Такие камеры служат для
регистрации отдельных сильноионизирующих, короткопробежных частиц, их (такие
камеры) также называют импульсными или счетно-ионизационными.
Ионизационные
камеры, предназначенные для регистрации заряженных частиц должны иметь или
специальное впускное окно, или же помещать источник частиц внутри объема
камеры. При этом размеры камер выбирают так, чтобы пробег частиц полностью
укладывался в пределы рабочего объема камеры.
Патентное
исследование, проведённое в ходе выполнения данной НИРС, показало, что до сих
пор ИИК активно разрабатываются и модифицируются, в зависимости от требований,
предъявляемых для конкретного эксперимента.
Подробное
описание патентного поиска приведено в приложении 1.
В
заключении стоит отметить, что импульсные ионизационные камеры с момента своего
изобретения Пьером Кюри в конце XIX века, и по сей день не утратили своей
актуальности, и находят применение в тех экспериментах, где нужно определить
ионизацию отдельных частиц или ионизацию, создаваемую потоком частиц. Например,
при исследовании альфа-распада ядер; при исследовании спонтанного или
вынужденного деления ядер; при поиске новых спонтанно делящихся ядер при
исследовании упругого рассеяния частиц высокой энергии и пр. [3].
Описание установки
Общая
электрическая схема установки приведена на рис.1.
Рисунок 3. Схема экспериментальной установки:
А1 – блок питания высоковольтный типа БНВ3-05;
А2 – камера ионизационная б\ч;
А3 – предусилитель БУС2-01;
A4 – усилитель
БУС2-47;
А5 – осциллограф C1-83;
А6 – амплитудный анализатор ПК.
Приборы, используемые в данном
эксперименте, удовлетворяют общим техническим требованиям к приборам,
работающим в условиях ионизирующих излучений, в соответствии с ГОСТ 27451—87.
Камера состоит из двух плоских металлических
электродов диаметром 0,06 см, между которыми находится сетка. Верхний электрод
– высоковольтный, нижний, присоединенный к предусилителю, – собирающий.
Источник альфа-частиц 239Pu (Ea = 5,15 МэВ) расположен на
высоковольтном отрицательном электроде. Расстояние между электродами и сеткой
равно 0,02 см. Постоянное напряжение отрицательной полярности на электроды
камеры подается от двух независимых выпрямителей В1 и В2 типа БНВЗ-05.
Собирающий электрод камеры соединен с предусилителем БУС2-01.
В схему
предусилителя после первого каскада усиления введена дифференцирующая цепочка с
постоянной времени tд1 ≈ 50 мкс. Благодаря этому на выходе
усилителя регистрируется практически только электронная составляющая заряда,
индуцированного по внешней цепи камеры.
С выхода
предусилителя импульсы напряжения поступают на разъем основного усилителя
БУС2-47, коэффициент усиления которого изменяется в пределах от 4 до 2048.
В схеме
усилителя предусмотрен блок формирования импульсов, состоящий из интегрирующей
tи (tи ≥ 0,05 мкс) и дифференцирующей tд
(tд ≤ 12,8 мкс) цепочек.
При
максимальной амплитуде выходного сигнала больше 10 В нарушается линейность
усиления и наблюдается искажение формы сигнала. Для контроля амплитуды и формы
выходного сигнала используется осциллограф.
С выхода
усилителя импульсы напряжения подаются на вход многоканального амплитудного
анализатора импульсов, выполненного на базе персонального компьютера, в
системный блок которого встроена плата амплитудно-цифрового преобразователя
импульсов (АЦП) и память для хранения данных.
Камера
заключена в герметичный корпус, верхняя часть которого является съемной.
Рабочий объем камеры соединен с форвакуумным насосом и баллоном, содержащим
чистый аргон. Через систему вентилей можно откачать камеру и наполнить ее
аргоном до давления, выбранного экспериментатором. Давление газа в камере
измеряется мановакуумметром.
Перед
выполнением эксперимента была тщательно проведена подготовка лабораторной
установки к работе согласно инструкции, описанной в [1]. В ходе эксперимента
были соблюдены меры предосторожности и техника безопасности [4].
6. Экспериментальная
часть
Определение рабочего напряжения
Данные, полученные в
ходе эксперимента, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость амплитуды напряжения на выходе детектора от напряжения на катоде
|
Uk, кВ |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
1.0 |
|
Uc, В |
0.9 |
1 |
1.04 |
1.04 |
1.04 |
1.04 |
1.04 |
|
ΔUc, B |
0.045 |
0.045 |
0.05 |
0.052 |
0.052 |
0.052 |
0.052 |
Рисунок 1 Зависимость напряжения на катоде
ионизационной камеры от напряжения на выходе детектора
Основной вклад в погрешность Uc
вносит погрешность, связанная с шириной линии на экране осциллографа,
относительная величина которой равна 5%, исходя из этого, вычисляем ΔUc по
формуле:
(1)
По данным таблицы 1 начерчен график зависимости Uc(Uk):
Из графика видно, что режим насыщения
наступает при Uk > 0,6 кВ. Поскольку от величины рабочего напряжения зависит только
режим работы камеры, его величину можно принять любой из диапазона 0,6 ÷
1,0 кВ.
В эксперименте рабочее напряжение было установлено 0,6 кВ.
Проверка режима работы
камеры
Измеренное время нарастания импульсов:
Абсолютная ошибка во времени
нарастания фронта 
также связана с конечной шириной линий на
экране осциллографа.
(2)
Откуда
Рассчитанное
время собирания электронов в камере (см. приложение 2):
(3)
Величины 
и 
равны по порядку величины. Откуда можно
сделать вывод, что камера работает в режиме электронного собирания.
Измерение
аппаратурной формы линии
Для
измерения аппаратурной формы линии были определены и выставлены параметры
формирователя импульсов τд = 6,4 мкс, τи=3,2
мкс.
Затем было
рассчитано рабочее напряжение U1 и U2 на высоковольтном
электроде и сетке (см. рис.4). Рабочее напряжение U1 выбиралось
таким образом, чтобы напряженность поля Е1 во вспомогательном
объеме, равная
(4)
обеспечивала режим насыщения камеры. Для
обеспечения высокой проницаемости сетки для электронов (≈ 100 %),
напряженность электрического поля
(5)
В рабочем объеме
камеры выбиралось в 2 раза больше.
Т.о.
напряжение получилось равным
U2=480 В. (6)
Время
набора спектра Texp = 11 мин. Экспериментальные данные сохранены в файл “Spektr”[1]. Построен соответствующий
график зависимости числа импульсов от номера канала амплитудного анализатора (см.
график 2), с учетом статистических погрешностей.
|
Рисунок 3. Распределение
импульсов ИИК с сеткой
где N - номер канала анализатора, n- число
зарегистрированных частиц |
В области
450 ÷ 800 каналов анализатора расположено, собственно, искомое
распределение импульсов по амплитудам для камеры с сеткой, предположительно
размытое шумами электронного тракта.
Распределение
построено в программе Mathcad 14 (OS Windows 8.1). В качестве погрешностей
выбрано среднеквадратичное отклонение (корень квадратный из значения), т.к.
экспериментальные данные представляют собой набор случайных величин.
Как видно
из сопоставления с аналогичным графиком для ИИК с двумя электродами (см.
Приложение [2]), использование камеры с сеткой позволяет получить более точную
картину.
Сравнение
полученных данных с литературными данными показывает, что полученные данные
достаточно близки к полученным ранее. (см. Приложение 2).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной НИРС проведено измерение аппаратурной
формы линии газовой импульсной ионизационной камеры с сеткой, наполненной
аргоном, при регистрации α-частиц (с энергией 5,15 МэВ). На основе
полученных результатов построено распределение импульсов по амплитудам
(аппаратурная форма линии).
Полученная
аппаратурная линия согласуется с полученными ранее результатами для данного
типа камеры (см. Приложение 2).
В результате разработки настоящей НИРС также
предложен метод обработки результатов измерений для лабораторной работы
«Ионизационная камера», учитывающий влияние некоего шумового процесса,
порождаемого, предположительно, электронным трактом детектора. Стоит отметить,
что данный вопрос подлежит отдельному рассмотрению, выходящему за рамки данной
НИРС.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. В. Г. Бондаренко и
др. Импульсная ионизационная камера : лабораторная
работа [текст].
М.: МИФИ, 2009. – 24 с.
2. Б. Росси, Г. Штауб Ионизационные
камеры и счетчики М.: Издательство иностранной литературы, 1951. – 241с.
3. М. Л. Бараночников
Приемники и детекторы излучений М.: ДМК Пресс, 2012. – 640с.
4. Инструкция по безопасности труда
студентов, проходящих лабораторный практикум на кафедре № 11 МИФИ Регистрационный номер инструкции: II – 1988 – 85 БТ. [Tекст] Москва: МИФИ, 1985. – 2с.
5. В. И. Калашникова, М. С. Козодаев
Детекторы элементарных частиц – М.: Наука, 1966. – 408с.
Приложение 1.
ОТЧЕТ
О ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
по теме: «Ионизационная камера с
сеткой»
РЕГЛАМЕНТ ПОИСКА
Область исследования: импульсные ионизационные камеры с
сеткой.
Цель поиска информации: анализ тенденций развития и
прогнозирование развития исследуемой области.
Страна поиска: Российская Федерация.
Ретроспектива: ретроспектива поиска составляет 20
лет, что является достаточной глубиной для установления тенденций развития
исследуемой области.
Источники информации: Классификационные рубрики МПК[2]:
H01J47/02 – ионизационные камеры,
G01T1/185 – приборы, содержащие ионизационные камеры,
H01J49/14 - способы обнаружения
веществ с использованием бомбардировки частицами,
G01N30/70 - детекторы захвата
электрона
Период проведения патентных
исследований:
25.09.2013 – 18.10.2013.
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ
ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
Поиск проводился по следующим
ключевым словам:
«Ионизационная камера», «Импульсная камера»,
«Газонаполненная камера», «Ионизационный камера с двумя электродами».
Материалы, отобранные для
последующего анализа: см. таблицу 1.
Поиск произведен по следующим патентным базам в рубрике «изобретения»:
URL: http://www.freepatent.ru
URL: http://www.findpatent.ru
URL: http://www1.fips.ru
Таблица
1. Патентные данные
|
Предмет патентования |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
|
МПК |
H01J47/02 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2003127160/28 08.09.2003 20.07.2005 |
|
Автор(ы) |
Дмитренко Валерий
Васильевич (RU), |
|
Индекс изобретения |
RU 2003127160 A |
|
Реферат, Формула |
Формула. Устройство
для регистрации гамма-нейтронного излучения, включающее цилиндрическую
ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания,
зарядочувствительный усилитель, отличающееся тем, что в качестве катода
использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в
качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40-50
атм и соответственно с плотностью 0,3-0,6 г/см3 с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания
ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри
ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования |
Таблица 1 (продолжение)
|
Предмет патентования |
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА |
|
МПК |
H01J47/02 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2003110312/28, 10.04.2003 20.10.2004 |
|
Автор(ы) |
Селемир Виктор
Дмитриевич (RU), |
|
Индекс изобретения |
RU 2003110312 A |
|
Реферат, Формула |
Формула. Устройство
для регистрации гамма-нейтронного излучения, включающее цилиндрическую
ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания,
зарядочувствительный усилитель, отличающееся тем, что в качестве катода
использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в
качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон при давлении 40-50
атм и соответственно с плотностью 0,3-0,6 г/см3 с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от общего содержания
ксенона, кроме того, металлическая экранирующая сетка, находящаяся внутри
ионизационной камеры, имеет степень неэффективности экранирования |
Таблица 1 (продолжение)
|
Предмет патентования |
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА |
|
МПК |
H01J47/02 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2009110690/28, 25.03.2009 20.03.2010 |
|
Автор(ы) |
Бородулин Юрий
Васильевич (RU), |
|
Индекс изобретения |
RU 2384913 C1 |
|
Реферат, Формула |
|
Таблица 1(продолжение)
|
Предмет патентования |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
|
МПК |
H01J47/02 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2003127160/28 08.09.2003 20.11.2005 |
|
Автор(ы) |
Дмитренко В.В. (RU), |
|
Индекс изобретения |
RU 2264674 C2 |
|
Реферат, Формула |
Реферат. Использование: для ядерно-физических исследований, в атомной
энергетике. Сущность: устройство включает цилиндрическую ионизационную камеру
с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный
усилитель. В качестве катода использован корпус детектора с внешним
изоляционным покрытием, а в качестве рабочего вещества использован
сверхчистый ксенон при давлении 40-50 атм и, соответственно, с плотностью
0,3-0,6 г/см3 с добавлением водорода в количестве 0,2-0,3% от
общего содержания ксенона. Металлическая экранирующая сетка, находящаяся
внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности
экранирования
Рисунок 5 |
Таблица 1 (Продолжение)
|
Предмет патентования |
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА |
|
МПК |
H01J47/02, G01T1/185 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2003110312/28, 10.04.2003 10.04.2005 |
|
Автор(ы) |
Селемир В.Д. (RU), Птицын Б.Г. (RU), |
|
Индекс изобретения |
RU 2249834 C2 |
|
Реферат, Формула |
|
Таблица 1 (продолжение)
|
Предмет патентования |
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА |
|
МПК |
H01J47/02 |
|
№ заявки, дата приоритета, дата
публикации |
2005126588/28 22.08.2005 20.05.2007 |
|
Автор(ы) |
Сапрыгин Александр
Викторович (RU), |
|
Патентообладатели |
Федеральное государственное
унитарное предприятие "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" (RU) |
|
Индекс изобретения |
RU 2299492 C1 |
|
Реферат, Формула |
|
Анализ полученных данных
Патентные
исследования показали, что интерес к данной области по прежнему высок на всей
глубине поиска. На данный момент было найдено 6 патентов.
Патентные
исследования показывают, что в настоящее время особенно большое внимание
уделяется проектированию данных приборов для решения узких специализированных
задач.
Данные
приборы применяются в детектировании частиц, медицинской области, а также в
области обеспечения безопасности ядерных реакторов.
Приложение 2.
Расчет величин,
необходимых для проведения и анализа эксперимента
Расчет времени
собирания электронов в камере
Исходные данные:
d = 20 мм;
Uk = 800 В;
p = 1545 мм рт.
ст.= 205982.49 Па
Расчет:
, (1)
где Е –
напряженность поля между электродами камеры; Uk – напряжение на катоде.
Вычисляем величину E/p:
В/(см*
мм рт. ст.) (2)
По таблице
зависимости скорости дрейфа электронов от величины E/p 
:
см/с (3)
Откуда
мкс (4)
мкс
(5)
Рис 8. Характерное распределение импульсов по амплитудам для ИИК с двумя
электродами
где N – номера каналов, n – число
зарегистрированных частиц
Аппаратурная форма линии для
импульсной ионизационной камеры с сеткой для равновесного 238U и 239U [5]
