научная статья по теме КАЛИБРОВКА ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, ГЕНЕРИРУЕМОГО РАЗРЯДОМ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ ПРИ ВЫСОКИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «КАЛИБРОВКА ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, ГЕНЕРИРУЕМОГО РАЗРЯДОМ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ ПРИ ВЫСОКИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 21-27

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 531.521.7

КАЛИБРОВКА ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ, ГЕНЕРИРУЕМОГО РАЗРЯДОМ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ ПРИ ВЫСОКИХ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

© 2014 г. Л. П. Бабич, Т. В. Лойко, А. В. Родигин

РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: babich@elph.vniief.ru Поступила в редакцию 09.07.2013 г.

Электрический разряд в воздухе при атмосферном давлении в условиях многократных перенапряжений генерирует электронный пучок субнаносекундной длительности. На примерах измерения временного разрешения трактов регистрации с различными детекторами ионизующих излучений продемонстрирована эффективность использования пучка для калибровки детекторов с субнаносе-кундным разрешением. Основным преимуществом такого способа калибровки является отсутствие вакуумированной ускорительной трубки, малые габариты источника и большой ресурс.

DOI: 10.7868/S0032816214020153

Источники пучков ускоренных электронов на основе генераторов субнаносекундных импульсов высокого напряжения [1—4] используются в различных областях науки и техники, в частности при исследованиях быстропротекающих процессов и релаксационных явлений в веществе, для калибровки детекторов ионизующих излучений и т.п. Генерация и ускорение электронов осуществляются в вакуумированной ускорительной трубке, содержащей диод с ненакаливаемым катодом, к которому прикладывается импульс напряжения субнаносекундной длительности с амплитудой порядка сотен киловольт. Такие источники позволяют в режиме интенсивной автоэлектронной и взрывной эмиссии получать токи ускоренных электронов порядка сотен и тысяч ампер. Субна-носекундные импульсы электронов меньшей интенсивности могут быть получены более простым методом на основе эффекта убегания электронов [5, 6] при разрядах в открытой атмосфере в условиях многократных перенапряжений относительно напряжения статического пробоя газоразрядного промежутка (см., например, [7—14]). Вследствие предыонизации газа импульсом убегающих электронов, генерируемым в начальной стадии газоразрядного процесса, разряды при достаточно больших межэлектродных расстояниях носят объемный характер подобно разрядам, предназначенным для накачки лазеров с внешней пре-дыонизацией [15].

Целью настоящей работы является демонстрация возможностей метода калибровки детекторов

импульсов ионизующих излучений наносекунд-ной и субнаносекундной длительности на основе убегающих электронов. Основное преимущество метода — отсутствие вакуумированной ускорительной трубки, что исключает потребность в вакуумном производстве с довольно сложными технологическими процессами. Ток газоразрядных импульсов ускоренных электронов достаточен для получения на современных осциллографах сигналов с амплитудой несколько вольт; современная техника регистрации позволяет записать форму импульса тока электронов и, таким образом, продемонстрировать возможность использования импульса для временной калибровки детекторов ионизующих излучений.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Источник импульсов убегающих электронов

В наших экспериментах с убегающими электронами высоких энергий в плотных газах в качестве источника импульсов высокого напряжения использован высоковольтный блок разработанного во ВНИИЭФ малогабаритного генератора рентгеновского излучения [16, 17]. Блок размещен в заполненном трансформаторным маслом цилиндрическом корпусе высотой 20 см и диаметром 11 см. Основными его элементами являются импульсный повышающий трансформатор и разрядник-обостритель, формирующий субна-носекундный фронт импульса напряжения. Ис-

Рис. 1. Распределение электронов по энергиям при разрядах в воздухе при давлении 1 атм [8—11]. В режиме холостого хода амплитуда импульса напряжения составляет 270 кВ. Межэлектродное расстояние d = = 20 мм, радиус кривизны рабочей поверхности катода rcath = 200 мкм, плоский анод из алюминиевой фольги толщиной 8 мкм. Ne я (0.5—1) • 109 разряд-1.

пользуются разрядники Р-48, Р-43, Р-49 с напряжениями пробоя 100, 150 и 200 кВ соответственно [18]. Высоковольтная (накопительная) емкость разрядного контура генератора равна С0 ~ 50 пФ, индуктивность L0 ~ 80 нГн. Газоразрядная камера содержит диод с ненакаливаемым катодом, который соединен последовательно с разрядником. Амплитуда импульса высокого напряжения на диоде с субнаносекундным фронтом в режиме холостого хода, измеряемая на открытом воздухе при большом межэлектродном расстоянии или при заполнении камеры трансформаторным маслом, зависит от используемого разрядника и достигает 300-320 кВ [9-11]. Ресурс такого газоразрядного генератора ускоренных электронов определяется ресурсом разрядника и составляет ~106 включений.

Характеристики импульсов убегающих электронов

При подаче импульса высокого напряжения с субнаносекундным фронтом на газоразрядном диоде с межэлектродным расстоянием сантиметрового диапазона в открытой атмосфере реализуются многократные перенапряжения и развивается разряд, в котором генерируются субнаносекундные импульсы убегающих электронов с восстановленной длительностью <0.25 нс [10] с энергиями электронов в диапазоне сотен килоэлектронвольт [713]. Количество убегающих электронов, которое традиционно измеряется по заряду емкости как среднее значение за несколько десятков импульсов, не превышает ~(0.5-1) • 109 импульс-1 при использовании в качестве катодов металлических стержней с различной кривизной рабочей поверхности [7-13]. Распределение электронов по энергиям, измеренное методом магнитной спектрометрии, представлено на рис. 1 для одной из конфигураций газоразрядного промежутка, которая в основном характеризуется радиусом кривизны rcath рабочей поверхности катода и межэлектродным расстоянием d [8-11]. Энергетическое распреде-

ление достигает максимального значения при энергии sm « 270 кэВ, существенно превышающей величину eUmax, соответствующую максимальному значению импульса напряжения, реализующегося во время разряда (электроны аномальной энергии [7—12]). Измеренная ширина распределения Aemeas « 60 кэВ. Поскольку распределение получено за сотни импульсов, то на величину Aemeas влиял разброс (~10%) амплитуды напряжения пробоя разрядника-обострителя и амплитуды импульса напряжения, реализующегося на газовом промежутке во время разряда. Величина Aemeas зависела от ширины щелевых диафрагм коллиматора, а также от рассеяния в материале входного окна спектрометра. Вследствие всех этих причин распределение электронов сильно уширено. Поэтому собственная ширина распределения АгШг в одном разряде намного меньше Aemeas, так что sm >> АгШги можно говорить о почти моноэнергетическом пучке электронов.

В данной работе в высоковольтном блоке генератора использован разрядник Р-43 на напряжение ~140—150 кВ, так что в режиме холостого хода на газоразрядном диоде реализуется импульс напряжения с амплитудой ~250—270 кВ. Разряды осуществлялись в открытой атмосфере в цилиндрической камере с плоским изолятором диаметром 10 см, изготовленным из органического стекла толщиной 1 см. Конструкция камеры включает газоразрядный диод. Использовались два варианта катода: 1) стальной стержень диаметром 12 мм с конической рабочей поверхностью и углом заострения вершины 2а = 60° ("острый катод") и 2) пять параллельных друг другу лезвий, изготовленных из тантала и закрепленных ортогонально плоскому диску диаметром 10 мм на фокусирующем цилиндре. Катоды в виде набора параллельных лезвий используются в вакуумных диодах для формирования однородных по сечению пучков ускоренных электронов [19]. Анод — плоский, изготовлен из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм. Межэлектродное расстояние d варьировалось в диапазоне 15—20 мм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Временные параметры импульса убегающих электронов измерялись системой регистрации, включающей в себя коллектор, в качестве которого использовался алюминиевый диск диаметром 20 мм, размещенный вне газоразрядного диода на расстоянии 7 мм от анода. Сигнал с коллектора по радиочастотному кабелю длиной 8 м подавался непосредственно на осциллограф TDS 3052B с полосой пропускания 500 МГц. Типичная осциллограмма импульса тока электронов представлена на рис. 2. Длительность импульса А?05 « 0.7 нс. Амплитуда сигнала на осциллографе ~4—5.5 В.

Рис. 2. Осциллограмма импульса тока электронного

пучка, Л^о.5 « 0.7 нс. Развертка — 1 нс на клетку.

При проведении измерений по калибровке детекторов важным параметром является плотность потока излучения Фе, в котором находится детектор, поскольку именно величина Фе определяет амплитуду сигнала с данного детектора. Оцененная по амплитуде сигнала на осциллографе плотность падающего на коллектор потока убегающих электронов, генерируемого разрядом, составляет Фе « (1.1—1.5) • 108 см-2. Характерный поперечный размер пучка на аноде, определенный как расстояние от оси пучка, на котором Фе уменьшается приблизительно на порядок величины, равен 3 см. Поскольку современные детекторы ионизующих излучений отличаются миниатюрностью и, следовательно, поля облучения с большой апертурой не требуются, газоразрядные импульсы электронов удобны для калибровки.

Ниже приводятся примеры измерения временного разрешения трактов регистрации с различными детекторами.

Калибровка детекторов, включающих сцинтиллирующие пластмассы

Для измерения длительности импульсов ионизующих излучений используются сцинтиллирующие пластмассы, в которых падающим на них излучением возбуждается люминесценция, регистрируемая фотоэлементом или фотоэлектронным умножителем (ф.э.у.). В наших экспериментах использовались три вида пластмассы: РОРОР с разрешающим временем на полувысоте т0 5 ~ 3 нс, Б10 (т0 5 ~ ~ 1.4 нс) и Б18 (т05 ~ 0.2 нс) [20-22]. Диск из пластмассы диаметром 20 мм и толщиной 2 мм помещался на окне регистрирующего прибора. Люминесценция регистрировалась фотоэлементом СДФ-14 (т05 ~ 0.2 нс) [22]. Типичные осциллограммы свечения, записанные осциллографом TDS 3052B, приведены на рис. 3. При регистрации свечения пластмасс РОРОР и Б10 дл

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»