способ регистрации ионизирующих излучений

Формула изобретения

Способ регистрации ионизирующих излучений, заключающийся в том, что в поле ионизирующего излучения помещают детектор, отличающийся тем, что в качестве детектора используют пьезорезонансный датчик и регистрируют изменение периода или фазы колебаний датчика, вызванное актом взаимодействия излучения с материалом пьезорезонансного датчика и пропорциональное величине ионизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной физики, а точнее - к способам регистрации ионизирующих излучений. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для создания установок, измеряющих мощность дозы ионизирующих излучений, например, при конструировании радиометров.

Известно большое число методов регистрации ионизирующих излучений, основанных на различных физических принципах (К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. T.1. - М.: Атомиздат, 1974; В.И.Калашникова, М.С.Козодаев. Детекторы элементарных частиц. - М.: Наука, 1966). Большинство из них основано на регистрации ионизирующей способности излучения, то есть на образовании за счет энергии излучения в веществе детектора пар носителей заряда (свободных электронов и положительно заряженных ионов или дырок). Образующиеся в результате взаимодействия излучения с веществом пары зарядов далее могут быть зарегистрированы по оптическому эффекту (сцинтилляционный детектор) или непосредственно электронными методами (ионизационная камера, счетчик Гейгера, полупроводниковый детектор). Указанные способы пригодны для регистрации малых потоков ионизирующего излучения и отдельных частиц, но наряду с достоинствами каждому из методов свойственны свои недостатки и ограничения. Практически все известные методы детектирования ионизирующих излучений требуют наличия источника высокого напряжения для питания детектора (газоразрядные и полупроводниковые детекторы) или фотоэлектронного умножителя (сцинтилляционные детекторы). Газоразрядные детекторы, как правило, имеют небольшую массу вещества и значительные габариты из-за малой плотности газа. Полупроводниковые детекторы обладают хорошими спектрометрическими характеристиками, но для реализации высокого разрешения их, как правило, охлаждают. И те, и другие детекторы имеют ограниченную радиационную стойкость из-за изменений в составе или структуре вещества детектора под действием облучения. Сцинтилляционные детекторы имеют высокие временные параметры и высокую эффективность, но необходимость применения фотоэлектронного умножителя или аналогичного полупроводникового прибора приводит к увеличению габаритов и обуславливает необходимость иметь в составе установки, реализующей способ, источник высокого напряжения.

Наиболее близким по физической сущности к заявляемому является способ регистрации ионизирующего излучения с помощью пьезоэлектрических преобразователей (Л. М. Лямшев. Радиационная акустика. - М.: Наука, Физматлит, 1996). Этот способ используется для регистрации интенсивных пучков заряженных частиц и отдельных частиц высоких энергий. Поток частиц или одиночная частица высокой энергии проходит сквозь материал датчика, вызывая ионизацию вещества, и, как следствие, акустическую волну. Технически способ реализуется в виде устройства, идентичного датчику вибраций (пьезоэлектрический микрофон, гидрофон). В рассматриваемом способе в качестве чувствительного элемента детектора используют пьезоэлемент, сигнал с которого усиливается малошумящим усилителем и далее подается на регистрирующее устройство. Детектируемой величиной является напряжение сигнала, возникающее на пьезоэлементе в результате вибрации, вызванной акустической волной в веществе, возникающей при прохождении частицы высокой энергии. Для детектирования элементарных частиц сравнительно малых энергий (единицы МэВ) такой метод регистрации может быть применен только в случае больших потоков частиц. Акустический сигнал, возбуждаемый отдельной частицей, в этом случае оказывается примерно на пять порядков ниже порога регистрации. Таким образом, этот способ не обладает достаточной чувствительностью и не может быть использован для регистрации малых потоков ионизирующих излучений, например, в целях дозиметрии.

Задачей изобретения является разработка способа регистрации сравнительно малых потоков ионизирующих излучений (10³ частиц/с и меньше) с энергией до единиц МэВ, пригодного для целей дозиметрии и для регистрации отдельных ионизирующих частиц в указанном диапазоне энергии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе регистрации ионизирующего излучения, заключающемся в том, что детектор помещают в поле ионизирующего излучения, новым является то, что в качестве детектора используют пьезорезонансный датчик и регистрируют изменение периода или фазы колебаний датчика, вызванное актом взаимодействия излучения с материалом пьезорезонансного датчика и пропорциональное величине ионизации.

В заявленном способе в отличие от прототипа вместо пьезоэлемента применены пьезорезонансный датчик и соответствующая методика детектирования сигнала с датчика (В. В.Малов. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989), позволяющая многократно повысить чувствительность детектора. Пьезорезонансные датчики широко применяются для измерений температуры, ускорения, давления, механических напряжений и т.п. Применение этого метода для регистрации ионизирующих излучений в литературе не описано.

Сущность и новизна предлагаемого способа основаны на экспериментально обнаруженном факте, что пьезорезонансный датчик является элементом, чувствительным к ионизирующему излучению. Способ заключается в том, что в поле ионизирующего излучения помещают колеблющийся пьезорезонансный датчик, включенный в схему, позволяющую регистрировать малые изменения частоты (фазы) колебаний датчика, вызванные актом взаимодействия излучения с материалом резонатора и пропорциональные величине ионизации.

Практическая реализация заявляемого способа представлена на чертеже, где:

1 - источник бета-частиц;

2 - заслонка, управляемая электромагнитом;

3 - кварцевые резонаторы;

4 - идентичные по схемному решению транзисторные автогенераторы;

5 - конденсатор связи;

6 - быстродействующий компаратор. Сигнал с выхода компаратора подается на вход Y осциллографа;

7 - осциллограф. Развертка синхронизируется сигналом одного из кварцевых генераторов.

В данном примере конкретной реализации заявляемого способа были использованы элементы, описанные ниже.

В качестве источника бета-частиц был использован радиоактивный элемент Sr⁹⁰ (1). Примененный образец обеспечивал величину потока частиц, направляемых на датчик, около 10³ частиц/с. В качестве чувствительных элементов (3) в детекторе были использованы вакуумные резонаторы типа Э2 с паспортной частотой 100 кГц, подобранные по частоте с точностью до единиц герц. Эти резонаторы служат частотозадающими элементами генераторов (4). Поток бета-частиц подается на один из резонаторов (3). Заслонка (2) позволяет перекрыть поток бета-частиц или направить его на резонатор. Поток частиц, взаимодействуя с материалом резонатора, вызывает изменение частоты (фазы) колебаний резонатора. Взаимно синхронизированные генераторы (4) образуют схему синхронного детектирования, позволяющую на экране осциллографа (7) наблюдать эффект воздействия ионизирующего излучения на резонатор. Для взаимной синхронизации генераторов колебаний служит конденсатор связи (5) с емкостью порядка нескольких пикофарад. Емкость конденсатора подбирается таким образом, чтобы время взаимной синхронизации составляло величину порядка секунды. На осциллографе (7) наблюдается изменение положения точки пересечения нуля сигнала, снимаемого с одного из генераторов в зависимости от положения заслонки. Компаратор 597СА1 (6) в описываемом детекторе был применен для преобразования колебаний одного из генераторов в прямоугольные импульсы для того, чтобы ожидаемый эффект было удобнее наблюдать на экране осциллографа.

В результате опытов с детектором было найдено, что облучение резонатора потоком бета-частиц Sr⁹⁰ интенсивностью порядка 10³ частиц/с приводит к увеличению периода колебаний соответствующего резонатора на 31 нс. Увеличение или уменьшение потока ионизирующего излучения приводят к соответствующему пропорциональному потоку изменения периода колебаний резонатора.

Обнаруженный эффект позволяет конструировать детекторы ионизирующего излучения на основе пьезорезонансных датчиков, причем эти приборы будут отличаться компактностью, относительной простотой, высокой надежностью и радиационной стойкостью. Особенно перспективны для использования в качестве детекторов изучений резонаторы на основе пьезоматериалов, имеющих больший, чем у кремния, атомный номер и удельный вес, таких как титанат бария, танталат лития и др.