Способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета и устройство для его осуществления — SU 1044178 (original) (raw)

Изобретение относится к технике ядерно-физического эксперимента, а более конкретно к энергетической . спектрометрии ядерных частиц по времени пролета. 5Известен способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, который заключается в измерении расстояния - пролетной базы между стартовым и стоповым детекторами, калиб ровке шкалы временного анализатора по реперной энергии 1,моноэнергетическим частицам с хорошо известной энергией Е) при помощи изменения пролетной базы на измеряемую величину и вы числение искомой энергии по реперной Я .Устройство для измерения энергии ядерных частиц данным способом содержит стартовый детектор нейтронов, 20 стоповый детектор-фотонов, два формирователя - ограничителя импульсов и временной анализатор, состоящий из преобразователя времени в амплитуду (ПВА) и многоканального 25 анализатора импульсов (ИАА). Остальная часть устройства предназначена для режекции отрицательных временных интервалов и для дискриминации импульсов по форме Я .30Недостатками этого технического решения являются низкая точность измерения энергии из-за погрешностей, связанных с измерением пролетной базы, дифференциальной нелинейности временного анализатора, а также с невысокой точностью знания репернойэнергии.Известен способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, 40 который по совокупности существенных признаков наиболее близок к изобретению и принят за прототип, в которои фиксируют исходное. положение стопавого детектора временным анализатором, перемещают стоповый детектор, измеряют. расстояние перемещения, фиксируют новое положение стопового детектора 12 .Известно устройство для.измере ния энергии ядерных частиц по времени пропета, которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к заявляемому и принято за прототип. Устройство содержит стар товый и стоповый детекторы и временной анализатор, состоящий из ПВА и ЮА Ы. Недостатками известного технического решения являются невысокая точность измерения энергии ядерных час. тиц из-за невозможности точно измерить пролетную базу, сравнитепьна больших погрешностей, связанных с дифференциальной нелинейностью временного анализатора и низкой точностью знания реперной энергии Е, относительно которой проводятся измерения.Цель изобретения - повышение точности измерения энергии ядерных частиц по времени пролета.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измеренияэнергии ядерных частиц по времени пролета, в котором фиксируют исходное положение стопового детектора временным анализатором, перемещают стоповый детектор, измеряют расстояние перемещения, фиксируют новое положение стопового детектора, сначапа одновременно фиксируют временным анализатором исходное положение стопового детектора и исходное положение зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, затем в стоповый канал вводят задержку и измеряют расстояние пролета импульса лазерного излучения во время задержки стопового сигнала путем перемещения зеркала, задающего пролетную базу импульса лазерного излучения, и фиксирования двух его новых положений временным анализатором, а затем измеряют расстояние пролета ядерных частиц за измеренное время задержки путем двух дополнительных перемещений столового детектора.Поставленная цель достигается так.же тем, что в известное устройство для измерения энергии ядерных частиц по времени пролета, содержащее стартовый детектор, стоповый детектор, временной анализатор, введены импульсный лазер, оптический интерферометр, два плоско-параллельных зеркала, одно из которых неподвижное,. а другое - подвижное, два смесителя логических импульсов, детектор импульсов лазерного излучения, линия задержки и трехклеммовый переключатель, причем импульсный лазер оптически связан с подвижным зеркалом, которое механически соединено со стоповым детектором ядерных частиц,з 1044178 4при этом стартовый детектор и импульс- и оптического интерферометра 7 сточныи лазер через первый смеситель ло- повый детектор 8 ядерных частиц игических импульсов соединены со стаР детектор 9 импульсов лазерного излутовым входом временного анализатора, . чения, выходы которых подключены ка детектор лазерного излучения и сто второму. смесителю 10 логических имповый детектор через второй смеситель пульсов, а его выход соединен сологических импульсов соединены с вхо- входом линии задержки 11 ччерез пердом линии задержки через первую клем- вую клемму трехклеммового переклю-.му трехклеммового переключателя и со чателя 12 и со стоповым вхои со стоповым входом врестоповым входом временного анализато менного анализатора - череанализатора - через вторуюра через вторую. клемму трехклеммового клемму трехклеммового переключателяпереключателя-, выход линии задержки 12, выход линии задержки через тречерез третью клемму трехклечмового тью клемму .трехклеммового переключапереключателя соединен со стбповым теля 12,соединен со стоповым вховходом временного анализатора, при 15 дом временного анализатора 4.этом подвижное зеркало находится на Устройство содержит также источоптической. оси интерферометра. ник ядерных частиц 13, импульсныйНа чертеже приведена схема описы- лазер 2 устанавливается таким обраваемого устройства для измерения зом, чтобы число отражений импульсаэнергии ядерных частиц по времени 20 лазерного излучения между плоскопролета. параллельными зеркалами удовлетвоСпособ измерения энергии ядерныхряло соотношениючастиц па времени пролетареализуемый С = (и + 1) 7с помощью настоящего устройства, заключается в измерении расстояний, 25 где и - число отражений. Ось вращекоторые пролетают ядерные частицы и ния импульсного лазера 2 должнаимпульс лазерного излучения за одно быть колинеарна плоскости плоскои то же время оптическим интерферо- . параллельных зеркал 5, б, перпенди 6 что в результае дает отноше кулярна направлению излучения и должние 30на пересекать ось лазерного лучаИсточник ядерных частиц 13 и столовый детектор 8, жестко связанный сЧ(1) подвижным зеркалом 6, устанавливаютгде Ч - скорость исследуемых ядерных ся на направляющие для перемещения 6частиц;таким образом чтобы ось, проходящаяС - скорость света,35 .через центр источника ядерных частици, таким образом, энергия нерелятиви- , 1 Э и центр стопового детектора 8б6стских ядерных частиц равнаыла параллельна направлению переме-.щения детектора 8 и подвижного зеркаР Сла б,г 49Устройство работает следующим образом,а энергия релятивистских ядерных час- Источник ятиц.точник ядерньи частиц 13 испус. кает исследуемые ядерные части ЦЫ 6которые регистрируются стоповым деР 8, и Сопутствующее излуче.45 текто ом 8.ние (альфа, бета, гамма-излучениие,Устройство для измерения эне гийосколки деления конве сФ Р ионные электия энергии . роны, рентгеновское изл ени )ядерных частиц по времени - ро летакоторое егист иуч ие и т.п.)содержит стартовый детектор 1 и 50 Р Р Руется стартовым декпульсныи лазер 2, выходы которых поыи детектор и им- тектором 1, Одновременно имп лу ьсныйключены к первому смесителю ло ичрых под-. лазер 2 посылает импульсы излг ес- на зеркало 6, кющый из коученияких импульсов 3 а его ыхов од соеди- разившись от него, попадает на знен со стартовым входом временного лв 5а зеркаанализатора 4, неподвижное зеркало55 с " пого ло и, таким образом сове шакалосколько отражений, пока не поп5 и плоско-параллельное ему подвиж 6 падетное зеркало б. на детекто р импульсов лазерного излу-о , установленное на он- . чвния 9 Этическои оси импульсного лазера 2 и скаия . Лектрические имп ульсы запуска лазера 2 и импульсы от старто 1044178ваго детектора 1 через смеситель логических импульсов 3 поступают на стартовый .вход временного анализатора 4. В исходном положении выход смесителя О подключен йепосредственно 5 к столовому входу временного анализа" тора 4, через вторую клемму трехклем" мового переключателя 12, т.е. в стоповом канале отсутствует линия задержки 11, Электрические импульсы от де- О тектара лазерного излучения 9 и стопового детектора 8 через смеситель 10 поступают на стоповый вход временного анализатора 4. Во временном анализаторе 4 записывают пик совпадений им пульсов запуска импульсного лазера 2 и детектора 9, а также пик совпадений импульсов от стартового детектора 1 и-стоповаго детектора в исходном положении ,положение А) стопового 20 детектора 8 и подвижного зеркала 6. Далее между выходом смесителя 10 и стоповым входом временного анализатора 4 включают линию задержки 11 и подвижное зеркало 6 вместе со стопа вым детектором перемещают по направляющим в положение А, выбираемое таким образом, чтобы пик совпадений импульса запуска импульсного лазера 2 с импульсом от детектора 9 находил- зо ся в шкале временного анализатора 4 справа от пика совпадений импульса запуска лазера 2 с импульсом от детектора 9 записанного в положении А стопового детектора 8 и подвижного зеркала 6. Перемещение подвижного зеркала 6 и стопового детектора 8 в положение А производят при одновременной компенсации смещения места падения импульса лазерного иэлуче О ния на детектор 9, что осуществляют поворотом импульсного лазера 2 вокруг оси вращения. Перемещение измеряют в длинах волн лазерного излучения интерферометра 7. Пик совпадений им пульса залуска лазера 2 с импульсом от детектора лазерного излучения 9 для положения А стопового детекто 2ра 8 и подвюкного зеркала 6. записывают во временном анализаторе 4. Да" о лее производят перемещение подвижного зеркала 6 и столового детектора 8 в положение А, выбираемое та".ким образом, чтобы пик совпаденийимпульса запуска. лазера 2 с импульсом от детектора 9 .находился слевав шкале временного анализатора отпика совпадений импульса запуска ла( М,- д,1 Л, - Рд,1с (")ф 111 " (4)Рд -Рдг где- длина волны лазерногоизлучения, применяемого в ннтерферометре 7;- длина перемещения стопового детектора 8 иподвижного зеркала 6иэ положения А в положение А в длинахволн лазерного излучения интерферометра 7;- длина перемещения сто.пового детектора 8 иподвижногр зеркала 6из положения А в положение А в длинах волнлазерного излученияинтерферометра 7;- положения характерных 3точек пиков совпадений импульсов запускалазера 2 с импульсами.от детектора 9 в шкалевременного анализатора4 для положений А,А, А станового детектора 8 и подвижногозеркала 6 соответственно;- число отражений светового импульса лазера 2от плоско-параллельнвдзеркал 5, 6.производят перемещениезеркала 6 и стопавого деположение А 4, выбираемое РА -РД -Р После этогоподвижного тектора 8 в зера 2 с импульсом от детектора 9,записанного в положении А стоповогодетектора 8 и подвижного зеркала 6.Производят компенсацию смещения места падения импульса лазерного излучения поворотом импульсного лазера,Перемещение измеряют в длинах волнлазерного излучения интерФерометра7. Пик совпадений импульса запускалазера 2 с импульсом от детектора9 для положения А степового детектора 8 и подвижного зеркала 6 записывают во временном анализаторе 4.Производят вычисление расстояния,которое пролетает световой импульсза время равное времени задержкиэлектрического импульса от детектора 9 линией задержки 11 по формуле1044178 т таким образом, чтобы пик совпадений детектора вшкале вреимпульсов от стартового детектораи менного анализатора 4 для стопового детектора 8 находился в положений . Л А.ип . 4 1 стопово шкале временного анализатора 4 справа от пика совпадений импульсов, от этих 5 ного зеркала 6 соответстже детекторов, записанного в положении А подвижного зеркала 6 и стопо- Следует отметить, что для минимизавого детектора 8. Перемещение подвиж- ции составляющей погрешности измереного зеркала 6 и стопового детектора ния Ь и Ь , связанной,с нелинейно измеряют интерферометром 7. Пик 1 О стью временного анализатора Ф, необсовпадений импульсов от стартового ходимо при выборе положений А, А детектора 1. и стопового детектора 8 А 4, А стопового детектора 8 и поддля положения А 4 стопового детектора вижного зеркала 6 добиваться мини- . 8 и подвижного зеркала 6 записывают мально возможного значения разностей во временном анализаторе 4, Далее 15 БА -И и И -Б производят перемещение стопового деАг А 4 Таким б Таким о разом, в результате изтектора 8 и подвижного зеркала 6 в мерены расстоянияя ия, которые пролетают положение А, выбираемое таким : световой импульс от лазера 2 и ядер- образом, чтобы пик совпадений . ные частицы от источника 12 за одно импульсов от стартового детектора 1 20 и то же вреи то же время, равно времени задержи стопового детектора 8 находился ки электрического импульса линией в шкале временного анализатора 4 сле-задержи 11задержки . Следовательно, отношение ва от пика совпадений импульсов.от измеренных расстояний дает нам отноэтих же детекторов, записанного в по шение скорости ядерной частицы к сколожении А подвитого зеркала 6 и 25 рости срости света стопового детектора 8. Перемещение Ь Чр стопового детектора 8 и подвижного Р- г (6) зеркала 6 измеряют интерферометром 7 ц совпадений пульсов от стар тового детектора 1 и стопового детекп и и тора 8 для положения А стопового де 4 тектора 8 и подвижного зеркала 6 за- вычисленного с использованием формул писывают во временном анализаторе 4, 4)ф Л) (6). Производят вычисление расстояния, Описанная выше работа устройства которое пролетает ядерная частица дана для слУчая, когда число отражево время, равное времени задержки ии и от плоско-параллельных зеркал35 нийп о электРического импульса от стоповогоУдовлетворяет соотношению5 6 о детектора ядерных частиц 8 линией заС(п + 1)Чу держки 11 по формуле что всегда осуществляется на практике выбором величины и. Расчет расто- "45-"Ае)ярд,-рА 1 яния, которое пролетает импульс40 Ф 1 4l р р ., у)лазерного излучения за время задержАУ- А 4 ,ки по формуле (4), не учитывает где ИА - длина перемещения стопово- поправки на изменение угла падения го детектора 8 и подвижно- импульса лазерного излучения на го зеркала 6 из положения 45 подвитщое зерк ло 6 А в поЖ р ало при его переме 1 в положение А в длинах щения в положения А и А. Эта по- волн лазерного излучения правка может быть уменьшена экспеинтерферометра 7; риментально до значений - 1 О от Б - длина перемещения стоповоАу р щ стопово измеряемого расстояния приближениео детектора 8 и подвижно- Ж геометрии отражения к точечной го зеркала 6 иэ положения (уменьшение диаметра и угловой расхо- Адлинах димости луча импульсного лазера 2 . А в положение А в лин волн лазерного изл ченияу ения . и уменьшение угла падения импульса интерферометра 7р 1 лазерного излучения на подвижное РА -РА - положения характерных то-. 55 зеркало 6), а также рассчитана для чек пиков совпа ений имд " им конечнои геометрии с относительнойн пульсов от стартового. . погрешностью - О - 10 . Поправкадетек ора 1 и стопового на конечные размеры источника ядер1044178 Ь "е Ь 4 г А ПИ Заказ 2795 И . Тираж 748 Подписное ы%7;п 9, жщ .п,Ы;Й ных частиц и конечные размеры стопового детектора 8 также может быть снижена экспериментальис до значений АЙ 0-6 от расстояния, которое пролетают ядерные частицы за время задержки путем 5 увеличения пролетной базы, уменьшением размеров источника ядерных частиц 12 и размеров детектора 8 и рассчитана для конечной геометрии с относительной погрешностью10 -10.Способ и устройство позволяют осуществлять абсолютные измерения энергии ядерных частиц по времени пролета с использованием только двух 5 фундаментальных постоянных - массы покоя ядерной частицы и скорости распространения электромагнитного излу" чения в вакууме. Практически при измерении альфа - частиц с энергией рО "5 ИэВ для настоящего устройства с временным разрешением 100 пс, пролетной базой5 м и измерительнойбазой оптического интерферометра-1 м при статистике набора в пикесовпадений Особытий реальной является точность относительная погрешность определения энергии . 1 1 Очто на два-три порядка выше точности, даваемой прототипом. С помощьюнастоящего способа измерения энергийядерных частиц и устройства для егоосуществления возможно решение кругаважнейших физико-метрологических задач: абсолютное измерение энерговыделения при альфа-распаде с цельюуточнения разностей атомных масс,измерение бета-спектров, в частностибета-спектра трития, с целью определения массы покоя антинейтрино, атакже аттестация по энергии радионуклидных источников заряженных частиц, применяемых в народном хозяйстве.1

Смотреть

Способ измерения энергии ядерных частиц по времени пролета и устройство для его осуществления