научная статья по теме ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 148-152

ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА

УДК 539.1.074+539.1.04

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ © 2011 г. Ю. Г. Тетерев, Г. А. Кононенко

Объединенный институт ядерных исследований Лаборатория ядерных реакций Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 E-mail: teterev@jinr.ru Поступила в редакцию 21.12.2010 г.

Описан пропорциональный счетчик, предназначенный для измерения потока тяжелых ионов. Рабочий газ счетчика — воздух. Счетчик представляет собой три параллельные рамки из стеклотекстолита, на которые намотаны проволочные электроды. На основе счетчиков разработано диагностическое устройство для измерения распределения плотности потока ускоренных ионов при тестировании радиоэлектронных изделий. Для исключения зависимости результатов измерений от погодных условий (атмосферного давления, температуры, влажности), а также от вида и энергии ионов применена методика автоматической коррекции. В процессе эксплуатации установлено, что счетчик имеет высокий радиационный ресурс, устойчивость к воздействию экстремальных загрузок, достаточное быстродействие, до 106 ионов/с, не чувствителен ни к нейтронам, ни к у-квантам, удобен в эксплуатации.

ВВЕДЕНИЕ

Ускоренные тяжелые ионы находят широкое применение для решения различных прикладных задач. С их помощью проводятся исследования в области материаловедения, биологии, радиоэлектроники и т.п. В большинстве случаев при решении таких задач, особенно при изучении динамики какого-либо процесса, необходимо использовать пучки, в которых плотность потока ионов на изучаемый объект составляет от единиц до 105 ионов/(см2 • с). Это могут быть ионы атома любого элемента, от Ы до и, с энергией от 2—3 до десятков мегаэлектронвольт на нуклон. Для диагностики пучка, проводимой в счетном режиме, могут быть использованы детекторы ядерного излучения.

В данной работе описан пропорциональный счетчик, предназначенный для измерения потока тяжелых ионов.

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК

Рабочий газ счетчика — воздух. Счетчик представляет собой три параллельные рамки из стеклотекстолита толщиной 2 мм с круглым отверстием диаметром 20 мм внутри. На рамки с шагом 4 мм намотаны проволочные электроды: на среднюю — анодная вольфрамовая проволока толщиной 20 мкм, а на внешние — катодные танталовые проволоки толщиной 100 мкм. В этой конструкции каждая анодная проволочка окружена четырьмя катодными.

При постепенном повышении напряжения на аноде счетчика пропорциональный режим наступает при значении ~1200 В, далее амплитуда сигнала увеличивается примерно в 2 раза на каждые 100—130 В. При напряжении ~2300 В пропорциональный режим переходит в коронный.

В описываемой конструкции пропорционального счетчика расстояние между электродами составляет <3 мм, и сбор носителей зарядов обоих знаков происходит достаточно быстро. Для того чтобы повысить быстродействие пропорционального счетчика, можно отказаться от собирания положительных ионов, ограничившись полным собиранием электронов. На рис. 1а приведена осциллограмма импульса со счетчика при облучении его а-частицами. Использован предусилитель с постоянной времени интегрирования 2 мкс. Видно, что длительность фронта, определяемая временем собирания электронов, составляет порядка 100 нс. При большой загрузке счетчика (>106 с-1) на осциллограмме в этом диапазоне времен "мертвого времени" не наблюдалось, импульсы накладывались друг на друга, но их амплитуда не снижалась (рис. 1б). Так как пропорциональный счетчик используется в счетном режиме, то сигналы далее укорачивались до значения полуширины импульса 0.5 мкс.

При создании установки для диагностики пучка на основе счетчиков с воздушным наполнением для исключения зависимости результатов измерений от погодных условий (атмосферного давления, температуры, влажности), а также от типа и

энергии ионов применена методика автоматической коррекции.

Методика заключается в том, что в точках контроля устанавливается не один, а два сопряженных счетчика, последовательно по ходу пучка. Ион, прошедший первый счетчик, попадет в следующий. Скорость счета первого счетчика п1 = е1п, где е1 — эффективность регистрации ионов первым счетчиком, а п — поток ионов. Скорость счета второго счетчика п2 = е2п, где е2 — эффективность регистрации ионов вторым счетчиком. Если при этом измерять скорость счета импульсов п12, совпадающих во времени в первом и втором счетчике, то по теории вероятности п12 = = е1е2п. Используя эти три скорости счета, можно определить истинный поток ионов:

П = П1П2/П12 = е^пДе^п).

Каждый счетчик имеет свой измерительный тракт (предусилитель, усилитель, дискриминатор-формирователь и счетчик импульсов). Дискриминаторы-формирователи вырабатывают стандартные импульсы непродлевающегося типа длительностью 0.5 мкс с фронтом 20 нс.

Дополнительно пара сопряженных счетчиков обеспечена схемой совпадений и счетчиком числа совпадающих по времени импульсов. Истинный поток ионов ежесекундно рассчитывается с помощью э.в.м.

ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИОНОВ ПРИ ТЕСТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Установки для тестирования радиоэлектронных изделий созданы в мире на базе многих ускорителей тяжелых ионов, например [1]. Такие установки созданы и в ЛЯР ОИЯИ на базе ускорителей тяжелых ионов У-400 и У-400М. Облучение изделий по требованию пользователей проводится в вакууме. Другие основные требования, предъявленные пользователями к условиям облучения изделий, заключаются в следующем:

— однородный по плотности поток ионов на площади, большей, чем размер облучаемых изделий (150 х 130 мм), степень неоднородности не должна превышать ±15%;

— диапазон регулирования плотностей потока — от единиц до п • 104 ионов/(см2 • с);

— диапазон атомов тяжелых ионов — от О до В1;

— энергия ускоренных ионов 3—6 МэВ/нуклон.

Для контроля равномерности плотности облучения четыре сопряженные пары пропорциональных счетчиков устанавливаются по углам прямоугольной зоны облучения и одна — в центре, на пересечении диагоналей. Облучаемый объект не перекрывает поток ионов на счетчики, размещенные в углах, но может перекрывать поток на

(а)

Тек ...II..

М (Уу 1|. Н|) 11ц> дцт<ш

'' " ......\ СН1

____|____ ____1 Меап

] 27.7тУ

СН1 20 ОтУ

Тек ЛЬ

М 250П* Э-^п-Ю 16-32

\ Аитои!

' СН1 I 12.0ГПЧ' 26.1451Нг

(б)

М 15.00Д)! КАУ'Е/РЕС

TEK00Q1.BMP

СН1 гСЮтУйи

М 5.МКДИ СН1 I 21 .ЬтУ

25-МОУ-10 15:13 2.81263Шг

Рис. 1. Форма импульса с пропорционального счетчика: а — при регистрации а-частицы; б — при регистрации двух а-частиц, разнесенных по времени.

центральные счетчики. Последние, вкупе со счетчиками по углам, в основном служат для контроля однородности поля облучения во время настройки. Счетчики, размещенные в углах, служат для контроля и в процессе облучения. Кроме того, с их помощью измеряется набранный в процессе облучения интегральный поток ионов.

Счетчики расположены по ходу пучка на внешней (в воздушной среде) стенке бокса для облучения. В чувствительную область счетчиков контролируемые ионы проникают из вакуумного объема через проходные отверстия, заклеенные разделительной фольгой из алюминия толщиной 14 мкм. Толщина фольги выбрана из условия, чтобы ионы с энергией 3 МэВ/нуклон имели после прохождения через фольгу энергию, достаточную для дальнейшей однозначной регистрации этих ионов.

Рис. 2. Внешний вид установки для тестирования радиоэлектронных изделий с размещенными на ней счетчиками.

Для удобства принято, что площадь, через которую ионы попадают в сопряженную пару счетчиков, составляет 1 см2, тогда измеренная скорость счета пропорциональна плотности потока ионов в единицах [ион/(см2 • с)]. Чтобы снизить нагрузку атмосферного давления на тонкую фольгу, общая площадь 1 см2 разбита на семь закрытых фольгой проходных отверстий диаметром 4.3 мм. При такой конструкции можно не заботиться о счетчиках при откачке или напуске атмосферы в камеру облучения при ее вскрытии и смене тестируемого изделия и не беспокоиться о скорости изменения давления в камере. Внутренняя часть рамки в конструкции пропорционального счетчика в данном случае — отверстие диаметром 20 мм.

Создать поток ионов с требуемыми параметрами по однородности только с помощью фокусирующих и дефокусирующих магнитных элементов нереально, поэтому для его создания используют сканирование пучка, имеющего гауссово пространственное распределение, по горизонтали и вертикали. При таком способе обеспечения равномерности поля максимальная загрузка детекторов увеличивается не менее чем в 10 раз относительно средней. Временные свойства про-

порциональных счетчиков вполне удовлетворяют этим повышенным требованиям к быстродействию.

Внешний вид установки для тестирования радиоэлектронных изделий с размещенными на ней счетчиками и предусилителями приведен на рис. 2. Разъемы, которые видны под счетчиками, предназначены для подключения тестируемых изделий. С одной из пар сопряженных счетчиков снята защитная крышка. Вид этой пары в более крупном масштабе показан на рис. 3.

Система для измерения потока пучка ионов оснащена компьютерной программой, с помощью которой рассчитывают интенсивность счета каждой пары сопряженных счетчиков и набранный в процессе облучения интегральный поток ионов. Весь процесс облучения записывается в отдельный файл, что позволяет восстанавливать и отслеживать каждый этап облучения.

На данной стадии эксплуатации установки ведется двойной контроль интегрального потока ионов на исследуемое изделие. С помощью пропорциональных счетчиков проводится оперативный контроль интенсивности потока ионов и в процессе облучения измеряется набранный инте-

Рис. 3. Сопряженная пара пропорциональных счетчиков с воздушным наполнением.

Рис. 4. Изображение трекового детектора после экспозиции 106 ионов/см2 и последующего химического травления.

гральный поток. Одновременно с этим измеряется поток ионов с помощью трековых детекторов [2], которые наклеиваются непосредственно на подложку исследуемого изделия, слева и справа. Двойной контроль позволил подобрать оптимальные параметры работы пропорцион

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»