СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области атомной физики и может быть использовано для регистрации ионизирующих излучений, например для регистрации мощных потоков рентгеновского излучения в экспериментальных исследованиях. Предложено и применяются множество различных способов измерений параметров излучений [1], в большинстве случаев основанных на эффекте ионизации атомов под действием излучения. Исследования в области инерциального термоядерного синтеза поставили новые диагностические задачи [2], в частности разработки метода регистрации электромагнитного излучения плазмы, удовлетворяющего следующим основным требованиям:

1) рабочий диапазон измерений должен находиться в области энергий квантов (25-10000) эВ;

2) разрешение во времени не должно превышать 1 нс;

3) диапазон чувствительности должен находиться выше уровня мощности потока излучения I~1 МВт/см².

Обычно для регистрации интенсивности импульсного рентгеновского излучения используются твердотельные полупроводниковые детекторы, чувствительность которых определяется затратой энергии ΔЕ, необходимой для образования пары носителей заряда. Детекторы, основанные на кремнии, требуют ΔЕ~3 эВ, основанные на алмазе - ΔЕ~13 эВ. Анализ показывает, что в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу для регистрации излучения в рабочем диапазоне чувствительности требуется удаление детектора (даже алмазного) в вакууме на расстояние нескольких десятков метров от источника излучения, что достаточно дорого и не всегда выполнимо в реальных условиях. Применение фильтров, ослабляющих интенсивность падающего излучения, одновременно искажает его спектральный состав, что не позволяет идентифицировать процессы, протекающие в термоядерной мишени.

Известен способ регистрации импульсного ионизирующего излучения [3], когда чувствительный к ионизирующему излучению элемент выполнен в виде пластины из алмаза с первым контактом и вторым контактом из золота, контакты нанесены на двух противоположных плоскостях пластины, имеющих большую площадь, причем толщина каждого контакта (30 нм) делает его прозрачным для ионизирующего излучения. Детектор на базе упомянутого чувствительного к излучению элемента устанавливают на пути регистрируемого ионизирующего излучения таким образом, что сторона пластины с первым контактом ориентирована навстречу ионизирующему излучению и прикладывают с помощью триаксиальной линии связи напряжение в диапазоне (50-400) В от внешнего источника питания ко второму контакту на алмазной пластине, а с первого контакта снимают сигналы, обусловленные ионизирующим излучением. Наружный экранирующий корпус алмазного детектора заземляют. При прохождении регистрируемого ионизирующего излучения через алмазную пластину в ней возникают импульсы тока, обусловленные ионизацией. Эти импульсы образуют во внешней цепи импульсы напряжения, которые регистрируются аппаратурой.

Недостатками данного способа в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу являются возникновение нелинейных эффектов при регистрации потоков мощного мягкого рентгеновского излучения I>0,5 МВт/см², относительно большая стоимость и сложность технологии обработки чувствительного элемента (алмаза), а также необходимость в источнике питания детектора.

Техническим результатом данного изобретения является возможность достоверных измерений больших интенсивностей излучения I≈(10⁵÷10⁷) МВт/см² при упрощении схемы измерений и снижении ее стоимости.

Для достижения указанного технического результата в известном способе регистрации импульсного ионизирующего излучения, при котором в процессе измерения электрического сигнала, возникающего под действием излучения в твердом чувствительном к излучению элементе, который выполнен в виде диэлектрической пластины с первым и вторым контактами из металла, контакты нанесены на двух противоположных плоскостях пластины, имеющих площадь, причем толщина первого контакта делает его прозрачным для ионизирующего излучения, детектор на базе упомянутого чувствительного к излучению элемента устанавливают на пути регистрируемого ионизирующего излучения таким образом, что сторона пластины с первым контактом ориентирована навстречу ионизирующему излучению, электрический сигнал транслируют с помощью помехозащищенного кабеля к регистрирующей аппаратуре, предложено в качестве чувствительного элемента применять пластину из диэлектрика с высокой энергетической ценой образования свободных носителей заряда ΔЕ, например стекла KU1 (ΔЕ~150 эВ). Первый контакт, находящийся на стороне пластины, ориентированной навстречу ионизирующему излучению, заземляют, а возникающий на противоположной стороне пластины отклик отрицательного напряжения по коаксиальному кабелю транслируют к регистрирующей аппаратуре, например осциллографу. Один конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют со вторым контактом чувствительного элемента и первым выводом нагрузочного сопротивления, второй конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют с регистрирующей аппаратурой, а оплетку коаксиального кабеля и второй вывод нагрузочного сопротивления заземляют.

Предлагаемый способ регистрации импульсного ионизирующего излучения основан на новом физическом эффекте генерации ЭДС (электродвижущая сила) в контакте изолятор - металл под действием мегаваттного потока рентгеновского излучения [4], обнаруженном в ходе исследований на термоядерной установке Ангара-5-1. Источником излучения (полная пиковая мощность до 10¹³ Вт) служила плазма мегаамперного Z-пинча. Основными особенностями предлагаемого способа регистрации импульсного ионизирующего излучения являются:

- интенсивность потока излучения, падающего на детектор, может достигать 10⁷ Вт/см²;

- отсутствие внешнего источника питания;

- в качестве чувствительного элемента используются диэлектрики с большой энергетической ценой образования свободных носителей заряда (ΔЕ), например аморфное стекло с ΔЕ~150 эВ.

На чертеже приведена принципиальная схема одного из возможных вариантов реализации способа.

Поток излучения (hν) попадает на сторону пластины с первым контактом 1. Контакт представляет собой тонкий слой металла, например алюминия толщиной 30 нм, нанесенный на стеклянную пластину 2. Потери энергии излучения при прохождении через первый контакт 1 не превышают 5%. Затем происходит поглощение ионизирующего излучения в прилегающем к первому контакту 1 тонком (~1 мкм) слое стекла пластины 2. Образовавшиеся при этом электроны благодаря высокому градиенту плотности за сравнительно короткое время (t_d<0,1 нс) покидают пограничную с заземленным первым контактом 1 область стеклянной пластины 2. В слое поглощения ионизирующего излучения формируется положительный заряд, а на противоположной стороне пластины 2 (где размещен контакт 3) возникает отклик отрицательного электрического напряжения. Импульс электрического напряжения по коаксиальному кабелю транслируют к регистрирующей аппаратуре, например осциллографу 5, при этом один конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют со вторым контактом 3 чувствительного элемента и первым выводом нагрузочного сопротивления 4, второй конец центрального проводника коаксиального кабеля соединяют с регистрирующей аппаратурой 5, а оплетку коаксиального кабеля и второй вывод нагрузочного сопротивления 4 заземляют.

Основные преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

1. Линейная область чувствительности расположена в области значительно больших интенсивностей излучения I≈(10⁵÷10⁷) МВт/см².

2. Чувствительным элементом является дешевый диэлектрик (стекло), поддающийся достаточно простой обработке.

3. Отсутствует необходимость в источнике питания детектора.

Приведем один из конкретных примеров реализации способа.

Первый контакт 1 - Al-покрытие толщиной 30 нм; пластина 2 (чувствительный элемент) - стекло KU1 толщиной 0,5 мм; контакт 3 - Al-покрытие толщиной 50 нм; нагрузочное сопротивление 4-50 Ом; регистрирующая аппаратура 5 - осциллограф TDS 2024, полоса 200 МГц. При интенсивности I регистрируемого рентгеновского излучения ~2 МВт/см² между металлизированными плоскостями диэлектрика (стекло KU1) возникает импульсная разность потенциалов ~10 В.

Источники использованной информации

1. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. - М.: Наука. 1966.

2. Диагностика плотной плазмы / Под ред. Н.Г. Басова. - М: Наука. 1989.

3. Амосов В.Н., Емельянов А.И., Крисько Н.И., Родионов Н.Б. Алмазный детектор. Патент РФ №2522772 // Изобретения, полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2014. - №20.

4. Зайцев В.И., Барыков И.А., Карташов А.В., Терентьев О.В., Родионов Н.Б. Радиационно-индуцированный гальванический эффект, наблюдаемый в интерфейсе металл-диэлектрик // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42. - Вып. 22. - С. 72-78.