ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 5-10
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.22
АБСОЛЮТНЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ МОНИТОР ПУЧКОВ ПРОТОНОВ © 2009 г. Н. А. Иванов, О. В. Лобанов, В. В. Пашук
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Россия, 188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Поступила в редакцию 09.12.2008 г. После доработки 12.05.2009 г.
Описан монитор пучка протонов с энергией 1 ГэВ. В качестве детектора используется ионизационная камера, состоящая из двух секций с отличающимися по величине межэлектродными зазорами. Рабочий газ детектора — воздух при атмосферном давлении. Погрешность измерений числа протонов в интервале потоков 106—5 -109 с-1 составляет не более 5%.
РАСЯ: 29.40.Cs
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффективность использования ускоренных заряженных частиц в научных и прикладных исследованиях в значительной мере определяется возможностями контроля параметров пучков частиц непосредственно в процессе проведения облучения. Для измерения потоков частиц часто применяются газовые ионизационные камеры (и.к.) [1], которые способны надежно работать в широком диапазоне интенсивностей пучков. Однако и.к. не являются абсолютными приборами, и в каждом новом эксперименте с изменением величины и пространственно-временного распределения плотности потока частиц необходима предварительная градуировка этих камер первичными абсолютными детекторами. Проведение такой градуировки требует больших затрат времени и затрудняет контроль интенсивности пучка в процессе эксперимента. Необходимость градуировки обусловлена, прежде всего, тем, что с изменением условий эксперимента изменяются как условия рекомбинации зарядов в ионизированном газе, так и величина вклада в ионизацию газа от 8-электронов, выбиваемых протонами из электродов камеры.
В данной работе приводится описание нового монитора пучка протонов, позволяющего проводить измерения числа протонов в режиме реального времени без его предварительной градуировки [2]. В мониторе в качестве детектора применена двухсекционная ионизационная камера (д.и.к.), состоящая из двух и.к. с апертурными электродами и различными межэлектродными зазорами [3].
2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ МОНИТОРА
Ионизация воздуха в межэлектродном пространстве и.к. под действием пучка протонов обу-
словлена электромагнитным взаимодействием с электронами среды протонов пучка и 8-электронов, как генерируемых протонами в воздухе, так и выбиваемых протонами из материала электродов и.к., а также заряженных вторичных частиц, образующихся в результате неупругих ядерных столкновений протонов с ядрами атомов воздуха и электродов. В процессе ионизации воздуха образуются положительно заряженные ионы и электроны. Поскольку воздух является электроотрицательным газом, электроны с большой вероятностью захватываются нейтральными молекулами (О2, Н2О) с образованием стабильных отрицательно заряженных ионов.
Полное число пар ионов п, образованных в межэлектродном промежутке и.к., равно:
п = щпр + п8) = тр (1 + я), (1)
где N — число протонов, прошедших через и.к.; пр = (—dE/dx)d&—1 — число пар ионов, образованных налетающим протоном в столкновениях с атомами среды; (—АЕ/Ах) — удельные ионизационные потери протона в воздухе; d — величина межэлектродного зазора и.к.; ю — энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов; п8 — число пар ионов, образованных 8-электронами, выбитыми протонами из электрода, в расчете на один протон; Я = п§/пр.
Для определения числа протонов N может быть использован токовый режим работы и.к., при котором измеряется напряжение на конденсаторе С в цепи сигнального электрода (рис. 1), заряжаемом индукционным током, равным ионному току в камере. Из-за рекомбинационных потерь части ионов в процессе их переноса в межэлектродном пространстве и.к. накопившийся на конденсаторе заряд = пеХ будет меньше, чем образовавшийся заряд ионов Q = пе, где Х — эффективный коэффициент рекомбинационных
и*, кВ
Протон
С
Ц.
Рис. 1. Блок-схема токовой ионизационной камеры с накоплением заряда. Ц* — источник высокого напряжения; d — межэлектродный зазор; С — конденсатор; ис — измеряемое напряжение.
потерь ионов независимо от источника их происхождения, е — заряд электрона.
Следовательно, величина напряжения на конденсаторе будет равна
Цс = пекС-1 = №р (1 + Я)екС—1. (2)
Отсюда число протонов, прошедших через и.к., составит
N = ЦсС[пр ек (1 + Я)]1 = Цск (1 + Я)]—1СК, (3)
где К = [(—йД/йх)е/ю]—1 — коэффициент, учитывающий постоянные величины.
Из выражения (3) следует, что для нахождения числа протонов N необходимо определить к и п8, поскольку одна часть входящих в выражение (3) величин (е, (—АБ/Ах), ю) известна, а другая (Цс, ^ с) может быть измерена стандартными приборами.
При определении эффективного коэффициента рекомбинационных потерь X используется зависимость рекомбинационных потерь от меж-
электродного расстояния, а оценка величины п§ может быть получена при ограничении чувствительного объема и.к.
В настоящей работе для определения неизвестных параметров к и п§ используются несколько последовательно расположенных и.к. с разными по величине межэлектродными зазорами d и апертур-ными электродами в каждой камере (рис. 2а).
2.1. Оценка вклада 8-электронов в измеряемый сигнал
Пространственное распределение плотности ионов, образованных собственно протонами, ограничено областью поперечного сечения пучка частиц (рис. 2б). В то же время 8-электроны, вылетающие из электродов и.к., и 8-электроны, образующиеся в воздухе, создают ионы как в объеме камеры, так и за ее пределами. Вследствие этого область ионизации окажется "размытой" по сравнению с сечением протонного пучка.
Для корректного учета вклада 8-электронов в уровень сигнала в и.к. был введен апертурный электрод [2], фиксирующий область измеряемого заряда. Заземленный апертурный электрод с диаметром отверстия Б, превышающим максимальный линейный размер поперечного сечения пучка протонов, размещен в непосредственной близости перед сигнальным электродом. При условии Ad ■ Б, где Ad — зазор между апертурным и сигнальным электродами, в и.к. формируется область с однородным электрическим полем, представляющая собой цилиндр диаметром, равным диаметру отверстия апертурного электрода, и высотой, равной величине межэлектродного зазора и.к. Ионы, образованные 8-электронами в этой области, будут собираться на сигнальном электроде, а за преде-
d
(а)
Поток протонов
(б)
II
Б
III
■2 ^3
Рис. 2. Детектор монитора: а — эскизная схема двухсекционной ионизационной камеры; б — область измеряемого заряда. И.к.1 — первая секция с межэлектродным зазором dl; и.к.2 — вторая секция с межэлектродным зазором d2; Б — диаметр отверстия апертурного электрода; Ь — расстояние между секциями; 1 — апертурный электрод; 2 — сигнальный электрод; 3 — высоковольтный электрод; 4 — область ионизации, образованная протонным пучком; 5 — сформированная апертурным электродом область ионизации 5-электронами; Ц* — источник высокого напряжения.
d
АБСОЛЮТНЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ МОНИТОР
7
лами области — на заземленном апертурном электроде.
В алгоритме расчета ионизационного вклада S-электронов, вылетающих из электродов, рассмотрены следующие ситуации (рис. 2б):
— S-электроны не выходят за пределы области, ограниченной диаметром отверстия апертурного электрода (I);
— S-электроны выходят за пределы области, ограниченной диаметром отверстия апертурного электрода, через боковую поверхность цилиндра (II);
S-электроны выходят за пределы цилиндра через торец; в этом случае учитывался также вклад в ионизацию во второй секции S-электронами, образованными в первой (III).
Расчеты показали, что ионы, образованные S-электронами, вышедшими из электрода (Al-фольга толщиной 20 мкм), в основном сосредоточены в области пучка протонов, и при диаметрах апертурного электрода 6 и 8 см ns будет соответственно равно 13.2 и 14.4. При ю = 33.3 эВ и удельных ионизационных потерях протона с энергией 1 ГэВ, равных 1.93 МэВ/(г • см-2) [4], число пар ионов на 1 см пути равно 75 (полная удельная ионизация). Отношение R уменьшается с ростом длины межэлектродного зазора и составляет ~0.1 для d = 2.1 см и ~0.05 для d = 4.2 см.
Как отмечалось выше, источником S-электро-нов также служит воздушная газовая среда межэлектродного пространства. Часть S-электронов с большой энергией покидает объем и.к., сформированный апертурным электродом, что приводит к уменьшению ионизационного эффекта (—dE/dx)/® и, следовательно, к заниженному значению измеренного числа протонов. Проведенные оценки показали, что уменьшение ионизационного эффекта при диаметре отверстия D = = 6 см апертурного электрода камеры составляет ~10%. Вклад неупругих ядерных взаимодействий в передачу энергии первичного протона среде за счет ионизации продуктами ядерных реакций приводит к увеличению ионизационного эффекта. В исследованиях на медицинском тракте ускорителя ПИЯФ [5] было показано, что для протонов с энергией 1 ГэВ и веществ с малыми и средними атомными номерами в области трека первичного протона вклад продуктов ядерных реакций в величину поглощенной дозы равен ~10%. Таким образом, эти два процесса "компенсируют" друг друга.
2.2. Определение коэффициента рекомбинационных потерь
Эффективность рекомбинации ионов в и.к. зависит от числа и пространственно-временного распределения плотности образованных зарядов,
Рис. 3. Пояснение к алгоритму вычисления потока протонов. 1 — напряжение на конденсаторе при условии отсутствия ионизации 5-электронами и рекомбинации ионов; 2 — аппроксимация измеренных напряжений; 3 — аппроксимация напряжений с поправкой на ионизацию 5-электронами.
подвижности ионов, величины межэлектродного зазора камеры и ряда других факторов. Именно вследствие этого практически любые изменения параметров пучка требуют проведения градуировок мониторов, поскольку расчет коэффициентов рекомбинационных потерь возможен лишь в простейших случаях.
В предположении отсутствия рекомбинации ионов (X = 1) и вклада в ионизацию 8-электронов (Я = 0) напряжение V на конденсаторе должно быть пропорционально величине межэлектродного зазо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.