научная статья по теме ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР ИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР ИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 25-31

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 621.386.8

ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР ИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2004 г. А. Г. Кравченко, Д. Н. Литвин, В. П. Лазарчук, В. М. Муругов, С. И. Петров, А. В. Сеник, И. Г. Прянишников*

РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: litvin@otd13.vniief.ru *ФГУПНИИ импульсной техники, Россия, 115304, Москва, ул. Луганская, 9

E-mail: lnz@niiit.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г.

Показана возможность регистрации быстрых ионов (протонов, а-частиц) с помощью рентгеночув-ствительной стрик-камеры с CzI-фотокатодом. Пространственное разрешение прибора составляет 70 мкм, физическое временное разрешение - 7 пс. На а-излучении определен выход вторичных электронов из фотокатода - 8 электронов/частица. Чувствительность прибора позволяет регистрировать отдельные а-частицы и протоны. На основе прибора разработана методика пространственно-спектральной регистрации быстрых ионов из лазерных термоядерных мишеней. Методика используется для изучения процессов взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с термоядерными мишенями на установке "Искра-5".

ВВЕДЕНИЕ

Длительность процессов, протекающих в лазерных термоядерных мишенях, составляет ~10-9 с, а интервал времени, в течение которого протекают реакции синтеза, еще меньше —10-10 с. Размеры получаемых плазменных образований лежат в диапазоне от десятков микрон до единиц миллиметров. Понятно, что для успешного изучения протекающих процессов необходимо временное разрешение регистрирующей аппаратуры порядка десятков пикосекунд. Быстродействие применяемых в этих методиках полупроводниковых детекторов, цилиндров Фарадея, сцинтилляторов с ф.э.у. ограничено полосой пропускания осциллографов, регистрирующих сигналы с детекторов, и не превышает 100 пс. Кроме того, вышеперечисленные методики - интегральные по пространству.

С другой стороны, изображение плазмы с нужным пространственным разрешением, получаемое с помощью камер-обскур и зонных пластинок Френеля с регистрацией на твердотельных трековых детекторах или люминесцентных экранах, не обладают временным разрешением. Ограниченным пространственным разрешением обладают спектрометры ионного излучения с различным сочетанием статических электрических и магнитных полей. Таким образом, до сих пор не была решена задача регистрации ионного излучения плазмы одновременно с высоким временным и пространственным разрешением. Анализ современного состояния техники физического эксперимента показывает, что требуемым сочетани-

ем обладают только электронно-оптические преобразователи (э.о.п.).

Фотохронографы на основе э.о.п. применяются для регистрации квантов электромагнитного излучения оптического и рентгеновского диапазона. Общим для этих двух типов регистраторов является преобразование квантов излучения в фотоэлектроны, выходящие с поверхности фотокатода с низкой энергией (0.1-3 эВ), которые с помощью электронной оптики формируют на экране э.о.п. изображение, строящееся на фотокатоде. Для создания фотохронографа, регистрирующего ионный поток [1], нами использован известный эффект вторичной электронной эмиссии, возникающий при прохождении быстрых заряженных частиц через границу вещество-вакуум [2].

Механизм образования вторичных электронов заключается в следующем. Быстрый ион за счет кулоновского рассеяния в веществе фотокатода образует первичные быстрые 5-электроны. Максимум в спектре 5-электронов соответствует рассеянию вперед и составляет Е8макс = 4теЕ/М, где Е -энергия иона, те и М - массы электрона и иона, соответственно. Примерно половина первичных электронов имеют энергию в спектральном интервале (0.3-1)Е§макс. Например, для протонов с Е = 2 МэВ, Е§макс = 4 кэВ. Энергия а-электронов существенно превышает потенциал ионизации, поэтому они в свою очередь порождают вторичные электроны, и так далее. Возникает каскадный процесс, в результате которого в месте прохождения частицы в поверхностном слое вещества появляются электроны с низкой, но достаточной

для преодоления поверхностного запирающего потенциала (работы выхода) энергией. Именно эти электроны используются для регистрации быстрых ионов в электронно-оптическом преобразователе.

Принцип действия ионного фоторегистратора позволяет для его реализации использовать рентге-ночувствительные электронно-оптические преобразователи (р.э.о.п.), разработанные в НИИИТ для регистрации рентгеновского излучения [3]. У этих приборов фотокатод сформирован на подложке из слюды или органической пленки толщиной в единицы микрон, не превышающей длину пробегов быстрых ионов (а-частиц, протонов) с энергией ~1 МэВ. Работа приборов при регистрации быстрых ионов и рентгеновского излучения отличается только механизмом рождения вторичных электронов. В остальном (построение электронного изображения, система временного анализа) принцип действия регистраторов одинаков.

В настоящей работе показана возможность регистрации быстрых заряженных частиц с помощью р.э.о.п., изложены результаты исследования его характеристик (чувствительность, пространственное и временное разрешение), представлены результаты регистрации в экспериментах на установке "Искра-5".

РЕГИСТРАЦИЯ ОТДЕЛЬНЫХ а-ЧАСТИЦ

Ионный фоторегистратор построен на основе р.э.о.п. СРПЭ-2, сочлененного с усилителями яркости ЭПВ-19 и ЭП-15. Преобразователь СРПЭ-2 [3] представляет собой отпаянный прибор, состоящий из катодного узла, ускоряющей сетки, фокусирующего электрода, двух пар отклоняющих пластин и люминесцентного экрана на волоконно-оптической шайбе. о С$1-катод размером 0.8 х 10 мм и толщиной 4000 А сформирован на слюдяной подложке толщиной = 5 мкм. Для сенсибилизации катода на излучении оптического диапазона на его рабочую поверхность нанесено незначительное количество сурьмы.

Исследование характеристик ионного фотохронографа проводилось с помощью а-источни-ка на основе изотопов плутония АИП-МИР-3А, обеспечивающего поступление а-частиц на фотокатод с частотой ~104 Гц. Для подавления фона р.э.о.п., обусловленного темновой эмиссией фотокатода, регистрация а-частиц производилась в режиме временной развертки длительностью ~0.2 с/экран; разворачивающий импульс подавался на горизонтальные отклоняющие пластины. В статическом режиме (без развертки) контроль свечения экрана регистратора осуществлялся с помощью ф.э.у. СНФТ-3.

Первый результат воздействия а-частиц на регистратор можно наблюдать еще до подачи пита-

ющего напряжения на входной каскад фоторегистратора. При включении питания усилителей яркости, вблизи центра экрана выходного усилителя в области размером ~2 мм, наблюдаются яркие точечные вспышки, исчезающие при удалении а-источника. Механизм возникновения вспышек заключается в следующем: часть а-частиц, проникающих в колбу р.э.о.п., имеют возможность через диафрагму, установленную в области кроссовера, напрямую попадать на выходной экран, вызывая его сцинтилляции. Этот эффект является нежелательным, и для его подавления часть поверхности а-источника, находящаяся в прямой видимости экрана, закрывалась маской.

Первой задачей при разработке ионного фоторегистратора являлось экспериментальное доказательство его работоспособности, т.е. возможности регистрации быстрых ионов. Для этого в режиме временной развертки были сняты три кадра: первый - фоновый, второй - в присутствии источника а-частиц, третий - контрольный. При регистрации контрольного кадра между а-источни-ком и фотокатодом помещалась Ве-фольга толщиной ~100 мкм, пропускающая рентгеновские кванты с Еу > 1.5 кэВ, но отсекающая поток а-частиц. На втором кадре были зарегистрированы яркие точки, а контрольная регистрограмма совпала с фоновой, содержащей регистрацию темнового фона э.о.п. в виде точек существенно меньшей интенсивности (рис. 1). Эти результаты являются доказательством того, что во втором кадре в виде ярких точек регистрируются именно а-частицы, а не, например, сопутствующее рентгеновское излучение.

Возможность регистрации других типов ионного излучения лазерной плазмы ограничивается длиной их пробега в материале подложки катода (слюда толщиной 5 мкм). Ниже приведены расчетные значения минимальной пороговой энергии различных ионов лазерной термоядерной плазмы Епор для слюды толщиной 5 мкм, т.е. пороговые энергии ионов, регистрируемых с помощью отпаянного р.э.о.п.:

Частица а Р Т 3Не

Епор, МэВ 1.6 0.4 0.7 1.7

При использовании р.э.о.п. открытого типа (СРПЭ-3, СРПЭ-7) [3], у которых фотокатод формируется на органической полимерной пленке (полипараксилилене) толщиной ~1 мкм, пороговые энергии частиц снижаются:

Частица а Р Т 3Не

Е, МэВ 0.4 0.05 0.1 0.4

Рис. 1. Результат проверки возможности регистрации ионов с помощью фотохронографа: а - фоновая регистрограм-ма, б - результат регистрации а-частиц, в - контрольная регистрограмма с Ве-фильтром.

Таким образом, показана возможность регистрации различных компонент ионного излучения плазмы с помощью предложенного прибора.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ФОТОРЕГИСТРАТОРА

Традиционный подход к измерению пространственного разрешения оптических и рентгеновских фотохронографов основан на регистрации большого количества квантов с предварительно сформированным распределением интенсивности на фотокатоде, например, с помощью миры ГОИ. Применение такого метода к ионному фоторегистратору требует использования источника а-частиц с интенсивностью много большей, чем у имевшегося в нашем распоряжении. Нами применен способ, заключающийся в измерении размера области локализации на выходном экране фотохронографа группы вторичных электронов, выбиваемых одной а-частицей. Этот размер, деленный на сквозной коэффициент электронно-оптического увеличения, задает неопределенность координаты а-частицы на фотокатоде, т.е. определяет пространственное разрешение фоторегистратора. Статистическая погрешность этих измерений может быть уменьшена за счет увеличения числа зарегистрированных частиц.

В режиме оптимальной фокусировки размер пятна от одной а-частицы на выходе фоторегистратора составляет ~70 мкм. При измен

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.

Показать целиком