RU2007898C1 - Method of determination of energy of heavy charged particles - Google Patents
Method of determination of energy of heavy charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2007898C1 RU2007898C1 SU5004336A RU2007898C1 RU 2007898 C1 RU2007898 C1 RU 2007898C1 SU 5004336 A SU5004336 A SU 5004336A RU 2007898 C1 RU2007898 C1 RU 2007898C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charged particles
- energy
- target
- time interval
- acoustic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в исследованиях в области экспериментальной ядерной физики, физике твердого тела, а также в других областях, где необходимо просто и с достаточной точностью определить энергию тяжелых заряженных частиц. The invention relates to accelerator technology and can be used in research in the field of experimental nuclear physics, solid state physics, as well as in other areas where it is necessary simply and with sufficient accuracy to determine the energy of heavy charged particles.
В ускорительной технике известны следующие способы определения энергии заряженных частиц: по длине пробега электронов в веществе с помощью трековых приборов или пропорциональных счетчиков; по интегральному ионизационному или сцинтилляционному эффекту с помощью ионизационных, газовых или полупроводниковых детекторов; по отклонению заряженных частиц в магнитном поле. In accelerator technology, the following methods are known for determining the energy of charged particles: by the mean free path of electrons in a substance using track instruments or proportional counters; by integral ionization or scintillation effect using ionization, gas or semiconductor detectors; by the deviation of charged particles in a magnetic field.
Известен способ определения энергии заряженных частиц по длине пробега в наборе поглощающих фольг, состоящий в следующем: на пути пучка, ток которого измеряют с помощью коллектора-цилиндра Фарадея, помещают поглощающую фольгу и измеряют ток, затем добавляют еще фольгу и регистрируют уменьшение тока и т. д. Кривые трансмиссии получаются в виде зависимостей проходящего тока от числа фольг, т. е. от толщины поглотителя. За экстраполированный пробег принимают толщину поглотителя, получающегося при пересечении касательной к резко падающей части графика с осью абсцисс. В общем случае экспериментально полученная зависимость экстраполированного пробега заряженных частиц от их энергии имеет сложный характер и только для небольших диапазонов энергии она имеет простой вид. A known method for determining the energy of charged particles along the path in a set of absorbing foils is as follows: in the path of a beam whose current is measured using a Faraday collector-cylinder, an absorbing foil is placed and the current is measured, then another foil is added and a decrease in current is recorded, etc. The transmission curves are obtained in the form of the dependences of the passing current on the number of foils, that is, on the thickness of the absorber. For the extrapolated mileage, take the thickness of the absorber obtained when the tangent intersects the sharply falling part of the graph with the abscissa. In the general case, the experimentally obtained dependence of the extrapolated path of charged particles on their energy is complex and only for small energy ranges does it have a simple form.
Измеряя значение пробега по описанной методике и используя соотношения Е(МэВ) = 1,9 Rэ(Г/см2) + 0,2 (1) для соответствующего диапазона энергий определяют энергию частиц пучка [1] .By measuring the mean free path according to the described procedure and using the relations E (MeV) = 1.9 R e (G / cm 2 ) + 0.2 (1) for the corresponding energy range, the energy of the beam particles is determined [1].
К недостаткам данного способа можно отнести то, что значение Rэ, входящее в формулу (1), зависит от выбора линейного участка кривой поглощения моноэнергетических заряженных частиц, что приводит к неоднозначности определения величины пробега заряженных частиц в мишени. Кроме того, применение данного способа связано с довольно трудоемким и длительным процессом измерения.The disadvantages of this method include the fact that the value of R e included in formula (1) depends on the choice of the linear portion of the absorption curve of monoenergetic charged particles, which leads to ambiguity in determining the mean free path of charged particles in the target. In addition, the application of this method is associated with a rather laborious and lengthy measurement process.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ определения места прохождения и ординаты центра тяжести пучка, измеряя временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, снимаемого с пьезоакустического датчика. Способ состоит в следующем: на пути пучка, заряд в пучке которого измеряют с помощью цилиндра Фарадея или магнитоиндукционного датчика, ставят твердотельную мишень, на торцах которой закреплены пьезоакустические датчики (ПАД). При прохождении пучка заряженных частиц через мишень в ней возникают механические напряжения, которые фиксируют пьезоакустический датчик. В зависимости от места попадания пучка в мишень меняется время задержки τ= L/vпр, где L - расстояние от места падения центра тяжести пучка до пьезопреобразователя; vпр - скорость продольной волны в волноводе. Измеряя разность времени между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, определяют место прохождения пучка, а измеряя разность времени между моментами прохождения максимума распределения, получают ординаты центра тяжести пучка [2] .The closest in technical essence and the achieved result is a method for determining the passage and ordinate of the center of gravity of the beam by measuring the time interval between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal taken from the piezoacoustic sensor. The method consists in the following: on the path of the beam, the charge in the beam of which is measured using a Faraday cylinder or a magneto-induction sensor, a solid-state target is placed at the ends of which piezoacoustic sensors (PAD) are fixed. When a beam of charged particles passes through a target, mechanical stresses arise in it, which fix the piezoacoustic sensor. Depending on the beam hit the target place changing the delay time τ = L / v, etc., wherein L - the distance from the incident position of the beam to the center of gravity of the piezoelectric transducer; v CR - the velocity of the longitudinal wave in the waveguide. By measuring the time difference between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal, the beam passage is determined, and by measuring the time difference between the moments of the maximum distribution, the ordinates of the beam center of gravity are obtained [2].
Данная методика может быть применима для измерения энергии тяжелых заряженных частиц, если использовать мишень на полное поглощение пучка и датчик разместить на оси противоположной стороны мишени, по отношению к направлению падения пучка. Измеряя временной интервал ΔТ между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, можно определить глубину проникновения частиц в вещество мишени, используя соотношение
R = H -ΔTvпр, где Н - толщина мишени;
vпр - скорость продольной акустической волны в интервале мишени.This technique can be used to measure the energy of heavy charged particles, if you use the target to completely absorb the beam and place the sensor on the axis of the opposite side of the target, in relation to the direction of incidence of the beam. By measuring the time interval ΔТ between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal, it is possible to determine the depth of penetration of particles into the target material using the relation
R = H -ΔTv etc., where H - the target thickness;
v CR - the velocity of a longitudinal acoustic wave in the range of the target.
По пробегу заряженных частиц определяется энергия пучка по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия для различных материалов. The range of charged particles is determined by the energy of the beam from experimental tables of the dependences of the range of mileage-energy for various materials.
К недостаткам известного способа можно отнести то, что для повышения точности методики необходим съем информации с большой серии ПАД, размещенных на поверхности мишени, что связано с довольно трудоемким и длительным процессом измерения, а применительно к измерению энергии тяжелых заряженных частиц недостатком является зависимость точности измерения от погрешности в табличных величинах скорости продольной акустической волны в веществе мишени. Средняя погрешность измерения энергии с помощью такого способа составляет 3% . The disadvantages of this method include the fact that to increase the accuracy of the method, it is necessary to extract information from a large series of PADs located on the surface of the target, which is associated with a rather laborious and lengthy measurement process, and with respect to measuring the energy of heavy charged particles, the disadvantage is the dependence of the measurement accuracy on errors in tabular values of the velocity of the longitudinal acoustic wave in the target material. The average error of energy measurement using this method is 3%.
Цель изобретения - повышение точности определения энергии тяжелых заряженных частиц. The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the energy of heavy charged particles.
Это достигается тем, что в известном способе определения энергии тяжелых заряженных частиц, включающем облучение мишени, регистрацию акустического излучения, инициируемого при взаимодействии импульсного пучка заряженных частиц с веществом мишени, измерение временного интервала между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, определение глубины проникновения заряженных частиц в вещество мишени и нахождение энергии частиц по известным соотношениям пробег-энергия, дополнительно измеряют временной интервал между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими сигналами, а глубину проникновения заряженных частиц определяют из соотношения
R = H - 
ΔТ - временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и генерируемого акустического сигнала;
Δτ - временной интервал между вторым и третьим переотраженными акустическими сигналами.This is achieved by the fact that in the known method for determining the energy of heavy charged particles, including irradiating the target, recording acoustic radiation initiated by the interaction of a pulsed beam of charged particles with the target material, measuring the time interval between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal, determining the penetration depth of charged particles in the target substance and finding the energy of the particles according to known mileage-energy ratios, additionally measure the time interval between the second and the third reflections from the target surface acoustic signals, and the depth of penetration of the charged particles is determined from the relation
R = H -
ΔТ is the time interval between the leading edges of the accelerator current pulse and the generated acoustic signal;
Δτ is the time interval between the second and third reflected acoustic signals.
По пробегу заряженных частиц определяется энергия пучка по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия для различных материалов. The range of charged particles is determined by the energy of the beam from experimental tables of the dependences of the range of mileage-energy for various materials.
Существенным отличием предлагаемого способа является дополнительное измерение временного интервала между вторым и третьим переотраженными от поверхности мишени акустическими импульсами. Если измерять временной интервал между первым и вторым акустическим импульсом, то он больше, чем временной интервал между вторым и третьим переотраженными импульсами. Это объясняется тем, что импульс отражается не от внешней поверхности облучаемой мишени, а от ближней к линии задержки поверхности слоя контактной смазки, что вносит погрешность в методику измерения. Измеряя временной интервал между вторым и третьим импульсами, мы тем самым устраняемся от влияния на погрешность измерения шероховатости поверхности мишени, толщины контактной смазки, что позволяет с большей степенью точности, чем в таблицах, определять значение скорости акустической волны в волноводе. Это позволяет уменьшить погрешность измерения энергии тяжелых заряженных частиц, исключая из формулы определения глубины проникновения тяжелых заряженных частиц табличную величину скорости продольной акустической волны в материале мишени. Применение данной методики позволяет измерять энергию тяжелых заряженных частиц в мишенях из различных материалов и сплавов. A significant difference of the proposed method is an additional measurement of the time interval between the second and third acoustic pulses reflected from the target surface. If we measure the time interval between the first and second acoustic pulses, then it is longer than the time interval between the second and third re-reflected pulses. This is because the pulse is reflected not from the external surface of the irradiated target, but from the surface of the contact lubricant layer closest to the delay line, which introduces an error in the measurement procedure. By measuring the time interval between the second and third pulses, we thereby avoid the influence of the roughness of the target surface and the thickness of the contact lubricant on the measurement error, which allows us to determine the value of the speed of the acoustic wave in the waveguide with a higher degree of accuracy than in the tables. This makes it possible to reduce the error in measuring the energy of heavy charged particles by eliminating from the formula for determining the penetration depth of heavy charged particles the tabular value of the velocity of a longitudinal acoustic wave in the target material. The application of this technique allows us to measure the energy of heavy charged particles in targets from various materials and alloys.
На чертеже приведена схема экспериментальной установки, реализующей предлагаемый способ. The drawing shows a diagram of an experimental installation that implements the proposed method.
Пучок заряженных частиц падает в центр мишени 1, возбуждая в области взаимодействия ультразвуковые колебания, которые регистрируют ПАД 2, расположенным в центре тыльной поверхности твердотельной мишени. Электрический сигнал с ПАД подается через предварительный широкополосный усилитель 3, выход которого согласован с длинным кабелем, на два измерителя 4 и 5 временных интервалов, один 4 из которых измеряет временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, другой 5 измеряет временной интервал между вторым и третьим акустическим импульсом. Измеритель временных интервалов основан на измерении числа заполняющих импульсов в измерительном интервале времени. A beam of charged particles falls into the center of
Из соотношения (2) определяется максимальная глубина проникновения заряженных частиц в мишени. Зная пробег, находим энергию пучка с помощью опубликованных таблиц зависимостей пробег-энергия для данного материала. From relation (2), the maximum penetration depth of charged particles into the target is determined. Knowing the mileage, we find the beam energy using published mileage-energy dependency tables for this material.
Точность определения энергии ускоренных заряженных частиц в данном случае зависит от погрешности измерительной аппаратуры и табличных зависимостей пробег-энергия. The accuracy of determining the energy of accelerated charged particles in this case depends on the error of the measuring equipment and the tabulated dependencies mileage-energy.
В качестве измерителя временных интервалов используется частотомер ЧЗ-34, погрешность измерения которого в микросекундном диапазоне не превышает долей процента, толщина мишени определяется с помощью микрометра, с точностью 0,1% , погрешность построения экспериментальных зависимостей пробег-энергия не превышает 1% , следовательно, средняя ошибка предлагаемого способа определения энергии ускоренных заряженных частиц не хуже 1% . A frequency meter ChZ-34 is used as a time interval meter, the measurement error of which in the microsecond range does not exceed a fraction of a percent, the target thickness is determined using a micrometer, with an accuracy of 0.1%, the error in constructing experimental mileage-energy dependences does not exceed 1%, therefore the average error of the proposed method for determining the energy of accelerated charged particles is not worse than 1%.
П р и м е р. Проводилось определение энергии импульсного протонного пучка на линейном ускорителе протонов И-100 (г. Серпухов). Энергия протонного пучка Е = = 100 ±1 МэВ. Пучок ускоренных протонов падал в центр свинцовой мишени диаметром 200 мм и толщиной 50 мм. PRI me R. The energy of a pulsed proton beam was determined using a linear proton accelerator I-100 (Serpukhov). The energy of the proton beam is E = 100 ± 1 MeV. A beam of accelerated protons fell into the center of a lead target with a diameter of 200 mm and a thickness of 50 mm.
При взаимодействии протонного пучка с мишенью возбуждаются акустические импульсы, которые фиксируются ПАД, выполненного на базе пьезокерамики ЦТС-19. Электрический сигнал, являющийся реакцией пьезопреобразователя на приход акустических импульсов, с выхода ПАД поступает на вход широкополосного усилителя УЗ-29, после которого по длинному кабелю подается на вход частотомера ЧЗ-24, стартовым импульсом которого является сигнал с пролетного индукционного датчика тока ускорителя, а импульсом стоп-акустический сигнал с ПАД. Этот же сигнал с усилителя УЗ-29 подается на вход другого частотомера ЧЗ-24 для измерения временного интервала между вторым и третьим акустическими импульсами через схему управления старт-стоповым импульсом. Для визуального наблюдения электрический сигнал с широкополосного усилителя УЗ-29 подается на один из входов двухлучевого запоминающего осциллографа СI-17, на другой вход подается сигнал с пролетного индукционного датчика тока ускорителя. Запуск осциллографа осуществлялся синхроимпульсом ускорителя. Временная задержка ΔТ между передними фронтами импульса начала сброса пучка ускорителя и электрического сигнала, снимаемого с ПАД, измерена первым частотомером и равна 16,11 мкс. During the interaction of the proton beam with the target, acoustic pulses are excited, which are fixed by the PAD made on the basis of the TsTS-19 piezoceramics. The electric signal, which is the response of the piezoelectric transducer to the arrival of acoustic pulses, is fed from the PAD output to the input of the UZ-29 broadband amplifier, after which it is fed through a long cable to the input of the ChZ-24 frequency meter, the starting pulse of which is the signal from the overhead induction current sensor of the accelerator, and the pulse stop acoustic signal with PAD. The same signal from the UZ-29 amplifier is fed to the input of another ChZ-24 frequency meter to measure the time interval between the second and third acoustic pulses through the start-stop pulse control circuit. For visual observation, the electric signal from the UZ-29 broadband amplifier is fed to one of the inputs of the SI-17 dual-beam storage oscilloscope, and the signal from the overhead induction current sensor of the accelerator is fed to the other input. The oscilloscope was triggered by the accelerator clock. The time delay ΔТ between the leading edges of the pulse of the beginning of the discharge of the accelerator beam and the electric signal taken from the PAD is measured by the first frequency meter and is 16.11 μs.
Временной интервал между вторым и третьим акустическими импульсами измеряется вторым частотомером и равен 11,29 мкс. The time interval between the second and third acoustic pulses is measured by the second frequency meter and is equal to 11.29 μs.
При толщине Н мишени, равной 50 мм, пробег протонного пучка в свинцовой мишени вычислен по формуле (2)
R = 0,05 - 
R = 0.05 -
По пробегу протонного пучка энергия заряженных частиц определяется по экспериментальным таблицам зависимостей пробег-энергия, для свинца полученная таким образом энергия протонов составляет величину, равную 100,5 МэВ. According to the range of the proton beam, the energy of charged particles is determined from the experimental tables of dependencies mileage-energy; for lead, the proton energy thus obtained is 100.5 MeV.
Данные измерения проводились при известной энергии пучка протонов (100 МэВ) и поэтому можно сделать вывод о том, что предложенный способ позволяет определять энергию протонного пучка в свинцовой мишени с точностью не хуже, чем метод определения места положения и ординаты центра тяжести пучка, в основе которого лежат измерения временного интервала между передними фронтами импульса тока ускорителя и акустического сигнала, и составляет ≈ 1% . These measurements were carried out at a known proton beam energy (100 MeV) and therefore it can be concluded that the proposed method allows us to determine the proton beam energy in a lead target with an accuracy no worse than the method of determining the position and ordinate of the center of gravity of the beam, based on which measurements of the time interval between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal lie, and is ≈ 1%.
Соответствующая реализация данного способа позволяет автоматизировать процесс измерений и проводить практически в масштабе реального времени. The corresponding implementation of this method allows you to automate the measurement process and conduct almost in real time.
Предлагаемый способ основан на измерении временных характеристик генерируемого акустического излучения, в частности, момента прихода акустического сигнала на тыльную поверхность мишени и не нуждается в предварительной экспериментальной калибровке. The proposed method is based on measuring the temporal characteristics of the generated acoustic radiation, in particular, the moment of arrival of the acoustic signal on the rear surface of the target and does not need preliminary experimental calibration.
Таким образом, реализация данного способа по сравнению с ранее известными методами акустической диагностики обеспечивает получение качественно новой характеристики - энергии заряженных частиц, а по сравнению с прототипом - повышение точности измерения, за счет исключения погрешности в табличных величинах скорости продольной акустической волны. (56) 1. Миловаков О. С. и Смирнов И. А. В кн. Ускорители, вып. XI. М. : Атомиздат, 1969, с. 57. Thus, the implementation of this method in comparison with previously known methods of acoustic diagnostics provides a qualitatively new characteristic - the energy of charged particles, and compared with the prototype - improves the measurement accuracy, by eliminating the error in the tabular values of the velocity of a longitudinal acoustic wave. (56) 1. Milovakov, O.S. and Smirnov, I.A. in the book. Accelerators, vol. Xi. M.: Atomizdat, 1969, p. 57.
2. Арменский Е. В. и Емельянов В. К. ПТЭ, 1973, N 2, с. 44-47. 2. Armensky E. V. and Emelyanov V. K. PTE, 1973,
Claims (1)
R= H-
где H - толщина мишени, м;
T - временной интервал между передними фронтами импульса тока ускорителя и генерируемого акустического сигнала, с;
Δτ - временной интервал между вторым и третьим переотраженными акустическими сигналами, с. METHOD FOR DETERMINING THE ENERGY OF HEAVY CHARGED PARTICLES, including irradiating a target, recording acoustic radiation initiated by the interaction of a pulsed beam of charged particles with target material, measuring the time interval between the leading edges of the accelerator current pulse and the acoustic signal, and determining the penetration depth of charged particles into the target material and particles according to known relationships mileage - energy, characterized in that, in order to improve the accuracy of determining the energy of charged particles, the time interval between the second and third acoustic signals re-reflected from the target surface is additionally measured, and the penetration depth of charged particles is determined from the ratio
R = H-
where H is the thickness of the target, m;
T is the time interval between the leading edges of the current pulse of the accelerator and the generated acoustic signal, s;
Δτ is the time interval between the second and third reflected acoustic signals, s.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5004336 RU2007898C1 (en) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | Method of determination of energy of heavy charged particles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5004336 RU2007898C1 (en) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | Method of determination of energy of heavy charged particles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007898C1 true RU2007898C1 (en) | 1994-02-15 |
Family
ID=21586296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5004336 RU2007898C1 (en) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | Method of determination of energy of heavy charged particles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2007898C1 (en) |
-
1991
- 1991-10-08 RU SU5004336 patent/RU2007898C1/en active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hutchins et al. | A laser study of transient Lamb waves in thin materials | |
| Tam | Pulsed‐laser generation of ultrashort acoustic pulses: Application for thin‐film ultrasonic measurements | |
| US4522071A (en) | Method and apparatus for measuring stress | |
| Stedman | Scintillator for thermal neutrons using Li6F and ZnS (Ag) | |
| Diggory et al. | The momentum spectra of nuclear active particles in the cosmic radiation at sea level. I. Experimental data | |
| US5048969A (en) | Piezoelectric measurement of laser power | |
| Albul et al. | Measurements of the parameters of the acoustic radiation accompanying the moderation of an intense proton beam in water | |
| Medenwaldt et al. | Measurement of the antiproton stopping power of gold-The Barkas effect | |
| Barber et al. | Performance of the three-dimensional readout of the ALEPH inner tracking chamber | |
| RU2007898C1 (en) | Method of determination of energy of heavy charged particles | |
| Efron et al. | Electromagnetic velocity-transducer studies of plastic waves in aluminum bars: Particle-velocity records obtained at four stations on annealed aluminum bars under longitudinal impact are found consistent with rate-independent wave-propagation theory | |
| Bakhmetjev et al. | Research into the advanced experimental methods for precision ion stopping range measurements in matter | |
| Sieger et al. | Time-resolved measurement of acoustic pulses generated by MeV protons stopping in aluminum | |
| JP2974768B2 (en) | Distance measuring method and device | |
| Nicoară et al. | Partial discharge diagnostics in power and instrument transformer based on acoustic emission method | |
| Chen et al. | Fusion fuel ion temperature diagnostic for directly driven implosions | |
| Varnagy et al. | Observation of proton tracks by a plastic detector | |
| Hughes | Modified wollaston prism for spectral polarization studies | |
| Møller et al. | Measurement of the Barkas effect around the stopping-power maximum for light and heavy targets | |
| Maglić et al. | Acoustic spark chamber | |
| Polland et al. | A difference detection system for high precision measurements of ultrafast transmission changes | |
| Bloom et al. | Lifetime of the First Excited State of B 10 | |
| Albul et al. | Temperature dependence of the acoustic signal generated in water by a 200-MeV proton beam | |
| Dutton et al. | The experimental determination of the total scattering cross section of molecular nitrogen for positrons at energies up to 3 keV | |
| Bander et al. | An improved laser‐schlieren system for the measurement of shock‐wave velocity |