ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 457, № 6, с. 646-649
= ФИЗИКА
УДК 537.5
ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА СУБНАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ, ГЕНЕРИРУЕМОГО РАЗРЯДОМ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ © 2014 г. Л. П. Бабич, Т. В. Лойко, А. В. Родигин
Представлено академиком Р.И. Илькаевым 26.02.2014 г. Поступило 11.03.2014 г.
Б01: 10.7868/80869565214240104
Черенковские детекторы широко используются для измерений импульсов ионизующих излучений высоких энергий в связи с безинерционно-стью излучения Вавилова—Черенкова (ИВЧ) и отсутствием постлюминесценции [1, 2]. Пороговый характер ИВЧ гарантирует получение достоверной информации о том, что распределение по энергиям частиц, возбуждающих ИВЧ, простирается в область энергий выше порога. Чтобы исключить экранировку ИВЧ люминесценцией, в качестве радиатора используются вещества с низким уровнем люминесценции, в частности, широко используется оргстекло (полиметилмета-крилат) [1, 2]. Данное сообщение содержит результаты первых наблюдений ИВЧ-импульса убегающих электронов (УЭ) высоких энергий, генерируемых электрическим разрядом в столь плотной среде, как воздух атмосферного давления. Впервые со стопроцентной достоверностью установлено, что спектр УЭ простирается выше энергии 178 кэВ.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве источника импульсов высокого напряжения используется высоковольтный блок малогабаритного рентгеновского аппарата [3] с емкостью С0 ~ 50 пФ и индуктивностью Ь0 ~ 80 нГн. Основными его элементами являются импульсный повышающий трансформатор и разрядник, формирующий субнаносекундный фронт импульса напряжения. В настоящей работе использовали разрядник Р-43 на напряжение ~140—150 кВ [4], обеспечивающий в режиме холостого хода импульс напряжения с амплитудой ~250—270 кВ. Разряды выполнялись в камере, включающей ди-
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров Нижегородской обл.
од с ненакаливаемым катодом, соединенный с разрядником последовательно. Энергия и выход УЭ зависит от конфигурации диода, которая характеризуется, прежде всего, радиусом кривизны рабочей поверхности катода гшЬ и межэлектродным расстоянием й. Использовались два катода: стальной стержень диаметром 12 мм с конической рабочей поверхностью и углом заострения вершины 2а = 60° ("острый катод") [5—7] и пять параллельных друг другу лезвий, изготовленных из тантала и закрепленных ортогонально поверхности плоского диска диаметром 10 мм на фокусирующем цилиндре [8]. Анод — плоский, изготовленный из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм. В описываемых экспериментах межэлектродное расстояние й варьировалось в диапазоне 15—20 мм.
Импульс тока УЭ регистрировался коллектором, в качестве которого использовался алюминиевый диск диаметром 20 мм, располагавшийся вне газоразрядного диода на расстоянии 7 мм от анода. Сигнал с коллектора по радиочастотному кабелю длиной 8 м подавался непосредственно на осциллограф. В качестве радиатора ИВЧ использовали диск из оргстекла (порог ИВЧ 178 кэВ) диаметром 2 см и толщиной 2 мм, который размещался за анодом. ИВЧ и люминесценцию радиатора регистрировали фотоэлементом СДФ-14 (разрешающее время на полувысоте т05 ~ 0.2 нс) и ФЭУ СНФТ-8 (т05 ~ 1.5 нс).
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСОВ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ
При подаче импульса высокого напряжения с субнаносекундным фронтом на газоразрядном диоде в открытой атмосфере реализуются многократные перенапряжения и развивается разряд, в котором генерируется субнаносекундный импульс УЭ с энергией в диапазоне сотен кэВ [5—7]. В случае достаточно больших межэлектродных
ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА
647
ёМе 2
Воздух, 1 атм. 500 разрядов
300 Б, КэВ
Рис. 1. Распределение электронов по энергиям [6]. В режиме холостого хода амплитуда импульса напряжения ~270 кВ. Межэлектродное расстояние аI = 20 мм, коническая рабочая поверхность катода с кривизной вершины гса(ь = 200 мкм, анод — алюминиевая фольга толщиной 8 мкм. Ые я (0.5—1) • 109 е—/разряд.
расстояний а развивается объемный разряд, подобный разряду с внешней предыонизацией [9]. Установлено, что именно в объемных разрядах реализуется максимальный выход УЭ с максимальной энергией [6]. Количество УЭ, регистрируемых коллектором, не превышает величин ~(0.5—1) • 109 при использовании в качестве катодов металлических стержней с различной кривизной рабочей поверхности [5—7]. Распределение электронов по энергиям иллюстрирует рис. 1 для одной из конфигураций диода. Распределение достигает максимального значения при энергии &т « 270 кэВ, существенно превышающей величину еитах, соответствующую максимальному значению импульса напряжения, реализующегося во время разряда (электроны аномальной энергии [6]). Измеренная ширина распределения Д&теа5 ~ ~ 60 кэВ. Поскольку распределение получено за сотни импульсов, то на величину Детеа5 влиял разброс (~10%) амплитуды напряжения пробоя разрядника и амплитуды напряжения, реализующегося на диоде. По этой причине, а также вследствие рассеяния в веществе и геометрических факторов распределение сильно уширено. Поэтому собственная ширина распределения в отдельном разряде ДгШг намного меньше Детеа5, так что &т > Д^шп и можно говорить о почти моноэнергетическом пучке электронов.
Типичная осциллограмма импульса тока УЭ, генерируемого разрядом в диоде с катодом из серии лезвий, показана на рис. 2а. Измеренная длительность импульса на полувысоте Д?05 ~ 0.15 нс.
РЕГИСТРАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА
Попытки зарегистрировать ИВЧ в экспериментах с "острым катодом" оказались безуспешными: генерируемый импульс УЭ не обеспечивал сигнал с коллектора, достоверно превышающий уровень "наводок". В конфигурации с катодом из
(а) \
\
л
(б) А
\
\
1 \ л л
V
(в)
Рис. 2. Ток убегающих электронов на коллектор, АГ0 5 я 0.15 нс (а); свечение оргстекла, АГ0 5 я 0.40 нс (б); свечение сцинтиллятора Б18, АГ0 5 я 0.65 нс (в). Развертка: а — 0.2 не на клетку; б, в — 0.5 нс на клетку. СДФ-14 (АГ0 5 я 0.2 нс), осциллограф Le Сгоу Wave-та81ег-8500Д с полосой пропускания 5 ГГц.
набора лезвий число УЭ увеличивается в 4—5 раз, плотность потока электронов, падающих на коллектор, достигает (0.5—0.7) • 109 1/см2, что позволяет, расположив фотоэлемент СДФ-14 с радиатором из оргстекла непосредственно на аноде, регистрировать ИВЧ.
На рис. 2 приведены осциллограммы свечений оргстекла и "быстрой" сцинтиллирующей пластмассы Б18 (т05 ~ 0.2 нс) [10], возбуждаемых импульсом УЭ. Длительность свечения оргстекла
Д1
0.5
0.4 нс, люминесценции пластмассы Д?(
0.5
~ 0.65 нс. Уже столь малая длительность свечения оргстекла короче свечения пластмассы Б18, специально разработанной для измерений субнаносе-кундных импульсов излучений, является свидетельством того, что регистрируется ИВЧ, а не люминесценция. Для повышения достоверности нами выполнено исследование относительного вклада люминесценции оргстекла.
ВКЛАД ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ОРГСТЕКЛА
При регистрации ИВЧ в экспериментах с у-квантами в области энергий ~1 МэВ вклад люминесценции составляет ~2—7% [2]. Представля-
1
0
648
БАБИЧ и др.
(а)
(б)
Рис. 3. Осциллограммы свечения блока оргстекла: люминесценция оргстекла, АГ0 5 « 2.2 нс (а); черен-ковское излучение оргстекла, At0 5 « 1.6 нс (б). Развертка 2 не на клетку. ФЭУ СНФ-8 (АГ0 5 « 1.5 нс), осциллограф TDS 3052В с полосой пропускания 500 МГц.
ет интерес оценить вклад люминесценции в регистрируемый сигнал при более низких энергиях, характерных для источников ускоренных электронов и рентгеновского излучения на основе генераторов, подобных описанным в работах [3, 11—14], в том числе генератора, используемого в настоящей работе, а также измерить длительность люминесценции оргстекла. Поскольку энергия УЭ &т ~ 270 кэВ превышает порог ИВЧ в оргстекле 178 кэВ, то для возбуждения только люминесценции энергию электронов необходимо понизить в область ниже порога. С этой целью на выходе газоразрядной камеры помещали алюминиевый фильтр толщиной 150 мкм. Поскольку потери энергии электронов в такой фольге и в слое воздуха толщиной 8 см между анодом и радиатором, согласно данным [15], оцениваются величиной ~100 кэВ, естественно ожидать, что свечение, возбуждаемое в оргстекле электронами, прошедшими фильтр, в такой постановке является люминесценцией.
Эксперименты выполнены в конфигурации с катодом из набора параллельных лезвий. С помощью ФЭУ СНФТ-8 (т05 ~ 1.5 нс) регистрировалось свечение, возбуждаемое отфильтрованным потоком электронов в радиаторе, в качестве которого использовался стандартный блок оргстекла диаметром 5 см и длиной 10 см. Электроны облучали торец блока, который размещался на расстоянии 8 см от анода. Осциллограмма свечения блока приведена на рис. 3а. Измеренная длительность импульса Д?05 ~ 2.2 нс.
В зарегистрированную длительность люминесценции Д0.5 ~ 2.2 нс входит не только длительность самой люминесценции оргстекла, но и разрешающее время системы регистрации. Последнее определяли путем регистрации ИВЧ, возбуждаемого импульсом УЭ в блоке оргстекла. Напомним, что в связи с отсутствием послесвечения длительность ИВЧ равна длительности возбуждающего импульса (в нашем случае Д?05 ~ 0.15 нс), точнее, части импульса, содержащей электроны в надпо-роговой части спектра. Фильтр из алюминиевой фольги толщиной 150 мкм удаляли с окна газоразрядной камеры, на которое помещали диафрагму диаметром 5 мм с целью уменьшения потока электронов до уровня, обеспечивающего регистрируемый сигнал в линейной области ФЭУ. Зарегистрированная осциллограмма черенков-ского свечения приведена на рис. 3б. Длительность импульса Д?0 5 ~ 1.6 нс соответствует разрешающему времени системы регистрации. Отсюда длительность люминесценции оргстекла оценивается величиной Д?0 5 ~ /(2.2)2 - (1.6)2 ~ 1.5 нс. Поскольку выход люминесценции прямо пропорционален полному пробегу электронов, который почти обратно пропорционален их энергии, то с учетом поправки, учитывающей уменьшение энергии электронов на величину ~100 кэВ, вклад люминесценции в амплитуду сигнала оценивается величиной
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.