ФОЛЬГОВЫЙ ЗАРЯДОВЫЙ СПЕКТРОГРАФ

Изобретение относится к области дозиметрии и спектрометрии импульсных ионизирующих излучений ускорителей, в частности импульсного электронного и тормозного излучений. Изобретение может быть использовано для определения спектрально-энергетических характеристик электронного излучения сильноточных импульсных ускорителей.

Известно устройство (патент РФ 2281532) для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик импульсного электронного и тормозного излучения ускорителя, содержащее магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, мишень-конвертер для преобразования электронного излучения в тормозное излучение, преобразователь мощности экспозиционной дозы тормозного излучения, при этом мишень выполнена в виде двух слоев, устройство дополнительно содержит цилиндрический корпус, в котором расположен магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, снабженный экраном с входным и выходным окнами для защиты пучка электронов от внешних электрических полей, входное окно экрана перекрыто первым слоем мишени, выполненным из легкоатомного металла, а его выходное окно перекрыто теплоизолированным от упомянутого экрана вторым слоем мишени, выполненным из тяжелоатомного металла со встроенным преобразователем поглощенной энергии терморезисторного или термопарного типа, причем слои мишени и экран электрически соединены между собой, при этом магнитоиндукционный преобразователь тока, преобразователь поглощенной энергии в мишени и преобразователь мощности экспозиционной дозы соединены посредством линий связи с соответствующими регистраторами и электронно-вычислительной машиной, положение первого слоя мишени, являющегося анодом, образует ускоряющий промежуток ускорителя, а преобразователь мощности экспозиционной дозы располагается в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца в поле тормозного излучения.

Недостатком данного устройства является сложность и косвенный характер измерений.

Известен способ (патент РФ №884818), в котором измеряют распределение поглощенной дозы гамма-излучения у поверхности раздела двух сред с различными атомными номерами, а после математической обработки дозиметрической кривой определяют спектр вторичных электронов, который приравнивают к осредненному спектру гамма-излучения, при этом измеряют по крайней мере две дозиметрические кривые у границы раздела двух поглотителей, одним из которых являются металлические фольги с разными толщинами и атомными номерами, причем толщину первой из них выбирают равной экстраполированному пробегу электронов в фольге R_э (Е, Z_ф) со средней энергией Е из всего спектра вторичных электронов, а последующих - в пределах (0-0,5) R_э (Е, Z_фi), где Z_фi = (2-20) Z_n - атомный номер i-той фольги и Z_n - атомный номер поглотителя. Недостатком данного способа является косвенный характер измерений, кроме того, при поглощении часть заряженных частиц испытывает обратное отражение и переизлучение с поверхности фольг, что значительно снижает точность измерений.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение способа измерения распределения электронов по энергиям, повышение точности за счет реализации прямых измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен фольговый зарядовый спектрограф, содержащий пакет из N металлических фольг, общая толщина которых подбирается из условия равенства экстраполированному пробегу электронов d максимальной энергии электронов Е<511 кэВ, при этом фольги расположены параллельно друг другу в вакуумной камере при значении давления Р = 10^-6÷10^-7 Па, каждая фольга подсоединена к отдельной емкости, накапливающей поглощенный данной фольгой заряд, имеющей отдельный разъем для снятия зарядовых характеристик, и полностью покрыта диэлектрической пленкой толщиной не более 2 мкм.

Спектрограф работает следующим образом. После генерации пучок заряженных частиц (электронов) проходит последовательно через каждую фольгу из пакета (набора N фольг) и заряжает весь набор конденсаторов, соединенных последовательно с каждой из фольг. При этом на первой фольге остаются электроны с минимальной энергией, на второй фольге с большей энергией и, наконец, на N-той фольге электроны с максимальной энергией. Общая толщина N фольг выбирается из условия полного поглощения заряженных частиц (электронов) с максимальной энергией. Для того чтобы не происходило переотражение электронов и не вносило искажение в их распределение по энергиям, каждую фольгу покрывают слоем диэлектрика (полимера) такой толщины, чтобы работа выхода для поглощенных электронов была значительно больше, чем средняя энергия случайных, переотраженных электронов. Последовательно, с помощью переключателя с необходимым интервалом времени примерно 10-15 сек, каждый из конденсаторов подсоединяется к баллистическому гальванометру, который определяет заряд каждого конденсатора по углу отклонения стрелки предварительно откалиброванного по эталонному источнику гальванометра.

Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что в процессе прохождения электронов через набор металлических фольг, покрытых диэлектрическим слоем (например, слоем нитроцеллюлозы толщиной до 2 мкм), быстрые электроны основного спектра проходят через диэлектрический слой практически без потерь и поглощаются только на фольге определенного номера, а низкоэнергетические вторичные электроны, энергия которых меньше работы выхода из диэлектрика, не переизлучаются, оставаясь в данной фольге, и не влияют на точность измерений. Так как каждая фольга соединена с конденсатором постоянной ёмкости, то ее потенциал чрезвычайно мал и относительная погрешность измерения находится в пределах 1-2 %. В то время как аналогичные фольговые спектрографы, не покрытые слоем диэлектрика, дают относительную погрешность измерения в пределах 20-30%. Таким образом, с заданной степени точности (варьированием толщины и количества фольг) получается распределение электронов по глубине образца. Из данного распределения, например, в области низких энергий до 511 кэВ по известным зависимостям ионизационных потерь электронов от глубины проникновения в материал можно получать распределение электронов по энергиям.

Пример 1. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10^-6÷10^-7 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=1·10¹⁴ эл/см², при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, при этом каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 1 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик давления σ(Па) 1, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=1·10¹⁴ эл/см². Видно, что при этом глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 1 между 15 значениями заряда Q(Кл·10^-7), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг при данной плотности потока электронов. Ф=1·10¹⁴ эл/см².

Пример 2. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10^-6÷10^-7 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=0,77·10¹⁴ эл/см² , при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, при этом каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 1,5 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик σ(Па) 2, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=0,77·10¹⁴ эл/см². При этом также глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 2 между 15 значениями заряда Q(Кл·10^-7), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг при данной плотности потока электронов Ф=0,77·10¹⁴ эл/см².

Пример 3. Изготовлен спектрограф, содержащий пакет из 15 алюминиевых фольг толщиной 1 мкм, расположенных параллельно друг другу в вакуумной камере на расстоянии 1 мм друг от друга, при значении давления Р=10^-6÷10^-7 Па в вакуумной камере и энергетическом спектре электронов, излучаемых генератором импульсных напряжений ГИН -400 в интервале Е=10÷300 кэВ, плотность потока электронов Ф=0,5·10¹⁴ эл/см², при этом каждая фольга была подсоединена к отдельному конденсатору постоянной ёмкости 10 МКФ, имеющему отдельный разъем для соединения с баллистическим гальванометром M1510A с пределом измерений 100 мкА, каждая фольга была покрыта слоем нитроцеллюлозы толщиной 2 мкм методом окунания в раствор нитролака. На фиг. 1 изображен акустический отклик σ(Па) 3, возбуждаемый в данном образце при облучении образца алюминия потоком электронов заданной плотности Ф=0,5·10¹⁴ эл/см². Глубина d экстраполированного пробега электронов в алюминии не превышает 15 мкм. На фиг. 2 изображена полученная экспериментальная зависимость 3 между 15 значениями заряда Q(Кл·10^-7), приходящегося на каждую из 15 алюминиевых фольг (толщиной d) при данной плотности потока электронов Ф=0,5·10¹⁴ эл/см².