блок детектирования

Формула изобретения

БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, содержащий N детектирующих элементов и замедлители, количество которых ограничено условием



где R, L_ni, L - длина полного пробега, пробега в i-м детектирующем элементе и замедлителях-частицы с наибольшей проникающей способностью соответственно,

отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в состав блока дополнительно введено K детектирующих элементов, а замедлители выполнены в форме симметричного тела, в котором на S вложенных одна в другую симметричных поверхностях расположены детектирующие элементы, при этом K 3S - N.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиационным измерениям, в частности к конструкциям блока детектирования, например, заряженных частиц.

Известно устройство для определения направления на пункт, от которого исходит излучение, содержащее блок детектирования, выполненный в виде сферического экрана с щелью для коллимации излучения, в центре которого расположен детектирующий элемент [1] Используемый в составе устройства блок детектирования не позволяет определять направление быстроменяющегося в пространстве потока частиц, что ограничивает его функциональные возможности.

Известно также устройство для определения направления на пункт от которого исходит излучение, где блок детектирования выполнен в виде куба, грани которого образованы координатно чувствительными детекторами, а внутренняя полость заполнена веществом замедлителем [2] Однако размеры блока детектирования ограничены условием сквозного прохождения, что в сочетании с требованием к неизменности его формы исключает возможность конструктивного совмещения последнего с элементами других устройств и ограничивает его функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является блок детектирования, содержащий N детектирующих элементов и замедлители, количество которых ограничено условием

R >L_ni+L где R, L_ni, L длина полного пробега, пробега в i-ом детектирующем элементе и замедлителях частицы с наибольшей проникающей способностью соответственно [3, стр. 116]

Недостатком блока является то, что он не позволяет определять направление потока частиц, что ограничивает его функциональные возможности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей блока детектирования.

Это достигается тем, что в состав блока детектирования, содержащего N детектирующих элементов и замедлители, количество которых ограничено условием

R >L_ni+L где R, L_ni, L длина полного пробега, пробега в i-ом детектирующем элементе и замедлителях частицы с наибольшей проникающей способностью соответственно, дополнительно введено К детектирующих элементов, а замедлители выполнены в форме симметричного тела, в котором на S вложенных друг в друга симметричных поверхностях расположены детектирующие элементы, при этом К 3S-N.

Сравнение изобретения с другими техническими решениями показывает, что блоки детектирования для определения направления потока излучения известны [1, 2] Однако, предлагаемый блок детектирования, объединяя свойства известных устройств, проявляет еще и новое свойство, заключающееся в возможности конструктивного совмещения блока детектирования с элементами других устройств, например корпусами космических летательных аппаратов.

На фиг. 1 изображен один из вариантов конструкции блока детектирования, выполненного в форме шара на фиг. 2 графики зависимости допустимой энергии протонов от угла их падения на кремниевый детектирующий элемент (ДЭ) с толщиной чувствительной области, равной 100 и 1000 мкм для _s 5 и 10^о и Е¹ 5 МэВ (сплошные линии) и 50 кэВ (пунктирные линии).

Блок детектирования содержит N + K детектирующих элементов 1 (фиг. 1), расположенных на S вложенных друг в друга симметричных поверхностях 2 в симметричном теле 3, облучаемом потоком частиц 4.

Количество детектирующих элементов 1 (фиг. 1), в общем случае определяется как

N+KN_i где N_i количество детектирующих элементов, расположенных на i-й поверхности 2, которое зависит от способа определения направления и формы тела 3.

В качестве примера рассмотрим один из возможных способов определения направления потока частиц, в котором может быть использован предлагаемый блок детектирования.

Известно, что выходной электрический сигнал, генерируемый при сквозном прохождении заряженных частиц через пропорциональный импульсный ДЭ с плоской чувствительной областью толщиной d, оценивается по формуле

(1) E dx где угол между направлением потока и нормалью к плоскости ДЭ; (dE/dX) ионизационные потери заряженной частицы с начальной энергией Е в активной области ДЭ, вычисляемые по формуле Бете-Блоха.

Если положение ДЭ задано проекциями вектора нормали на оси декартовой системы координат Ах, Аy, Az, то связь с направлением вектора излучения имеет вид

(2) sin где ах, ay, az проекции вектора направления на оси декартовой системы координат. При этом длина вектора направления полагается равной константе: const.

Подстановка формулы (2) в (1) приводит к уравнению с тремя неизвестными, которое решается лишь в системе с двумя аналогичными уравнениями. При этом каждое уравнение записывается для одного из трех ДЭ расположенных в различных пересекающихся плоскостях.

В качестве определяющего параметра используемых ДЭ рассматривается угловое разрешение _s которое связано с Е и условием

(3) dx - dx ( 1/2(E)+ 1/2(E(-_s)))

где ^1/2 ( E )- энергетическое разрешение ДЭ, пересекаемого под углом

Для дискриминации заряженных частиц по энергиям отличающимся на величину приращения Е¹ необходимо выполнение условия

(4) dx dx 1/2(E(-_s))

где (dE/dX)¹ ионизационные потери заряженных частиц с начальной энергией Е + Е¹

С учетом (4) условие (3) принимает вид

(5) dx - dx 1/2(E(-_s))+ 1/2(E)

Из графиков (фиг. 2), рассчитанных по (5), видно, что требуемое угловое разрешение достигается в интервале углов и энергий, ширина которого зависит от толщины чувствительной области ДЭ и заданного значения Е¹. При этом верхняя граница энергетического диапазона регистрации Е_в определяется значением нижнего предельного угла _н а нижняя граница Е_н находится из условия сквозного прохождения:

(6) d/cos_в где _в < ( 90 _s ) значение верхнего предельного угла.

Следовательно, для обеспечения требуемого углового разрешения ДЭ и исключения необходимости сканирования, что позволяет достигать высокого быстродействия, количество ДЭ N + K и их взаимное расположение выбираются таким образом, чтобы независимо от направления движения заряженных частиц по меньшей мере три ДЭ пересекались потоком в интервале заданных углов.

Тогда необходимое количество ДЭ размещаемых, например, на сферической оболочке (фиг. 2) определяется зависимостью

(7) N_i= где N_д количество ДЭ достаточное для определения направления на источник заряженных частиц (N_д 3).

В случае же, когда сканирование блока детектирования допускается, N_i может быть снижено до трех.

Количество поверхностей S 2 (фиг. 1) в общем случае зависит от способа определения направления потока частиц 4, их типа и энергии, формы замедлителя и используемых ДЭ

(8) S 1 + где (DE/DX)"" ионизационные потери заряженных частиц в материале поглотителе; Е_пр. предельная энергия регистрируемых частиц.

Рассмотрим в качестве примера один из возможных вариантов конструкции блока детектирования, выполненного в виде шара из алюминия радиусом R_ш (фиг. 1).

Считаем, что _s 5^о. Тогда _s 85^о. Полагаем, что N_iограничено и равно 20. Тогда из (7) находим, что _н 67^о. Нижняя граница энергетического диапазона регистрации определяется из условия (5). При d1000 мкм, Е_н 50 МэВ. Для нахождения Е_в воспользуемся графиками приведенными на фиг. 2. Устанавливая Е¹ 50 кэВ, имеем Е_в= 143 МэВ. Полагая Е_пр 300 МэВ, из (8) получаем, что S 2.

Для рассматриваемого случая радиусы сферических оболочек находятся из выражения

r_i= R_ш - L_icos_н где L_i длина пути в поглотителе до попадания в ДЭ, расположенный на i-й поверхности. Значение L_i определяется зависимостью

L_i= L_i-1+ Тогда L₂ 5,7 см. Для R_ш 10 см имеем, что r₂ 6,3 см. Полагая же R_ш= 50 см получаем, что r₂ 47,5 см. Из анализа результатов следует, что относительная толщина замедлителя d₁ , в котором посуществу и размещаются ДЭ уменьшается с ростом R_ш. Следовательно в рассмотренном случае для размещения ДЭ могут использоваться различные сферические оболочки, входящие в состав различных устройств, например корпуса космических летательных аппаратов.

Угловое разрешение детектора оценивается по формуле

где - угол результирующего отклонения после многократного упругого рассеяния протона в поглотителе. Для однозарядных частиц выражается зависимостью

= град, где L_i выражается в мкм; V/C; С скорость света; V и Р скорость и импульс падающей частицы; Z заряд атомов вещества мишени; n концентрация атомов в веществе, г/см³; (Р С) выражается в МэВ.

При рассмотрении в качестве налетающей частицы протона с начальной энергией Е 300 МэВ, а в качестве материала поглотителя алюминия, для L_i 5,7 см, а _s 5^о имеем, что 5,8^о.

Таким образом, предлагаемый блок детектирования по сравнению с прототипом позволяет определить направление потока частиц, т. е. расширения функциональных возможностей блока детектирования.