основные принципы работы и техническое описание
реклама
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР НЕЗАМЕДЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР НА КАНАЛЕ 5-5/ РЕАКТОРА ПИК НАЗНАЧЕНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРИБОРА Деление ядер представляет собой сложную ядерную реакцию, характеризующуюся огромным количеством выходных каналов. В настоящий момент для понимания динамики этого процесса требуются экспериментальные данные, в которых присутствует максимально возможная информация о выходном канале: фиксированы массы (до испускания мгновенных нейтронов), ядерные заряды, кинетические энергии, энергии возбуждения и другие характеристики совпадающих продуктов деления. Такие данные могут быть получены только в прецизионных многопараметрических экспериментах. В связи со строительством мощного реактора ПИК в ПИЯФ РАН разработана комплексная программа исследования динамики деления тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения. Для этого планируется создать комплекс из двух спектрометров продуктов деления на сквозном канале 5-5/ реактора ПИК с делящейся мишенью находящейся в центре сквозного канала вблизи активной зоны. Со стороны 5/ предполагается расположить электромагнитный сепаратор продуктов деления с перестраиваемым разрешением и трансмиссией, а со стороны 5 – времяпролетный спектрометр продуктов деления. Эти приборы могут работать независимо, но особенно уникальные возможности открываются при использовании комплекса в двухплечевом варианте, когда регистрируются оба осколка деления из мишени на тонкой (прозрачной для осколков) подложке. В этом случае можно показать, что измерение конечных масс и энергий парных продуктов дает возможность определить число испущенных ими нейтронов (1 и 2) , а следовательно, их первичные массы. Также с помощью измерения удельных потерь энергии (например, по форме импульса в детекторе энергии) можно определить и их ядерные заряды. Большим преимуществом прибора с мишенью вблизи активной зоны является возможность исследования широкого круга делящихся изотопов – вплоть до изотопов с сечением 10-2 барн, а также мод деления с малым выходом для хорошо делящихся изотопов. Времяпролетный прибор позволит изучать выходы и характеристики легких заряженных частиц (вплоть до А~20 а.е.м..), испускаемых при делении (тройной деление). ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО СПЕКТРОМЕТРА И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ Принцип спектрометрии продуктов деления по времени пролета очень прост – измеряя время пролета осколком известной базы, можно определить его скорость. В конце пути энергия осколка измеряется подходящим энергетическим детектором. Зная скорость и энергию, определяем его массу. Таким образом, прибор состоит из следующих основных частей: - двух детекторов временной отметки (стартовый и стоповый); - энергетического детектора; - электростатического ионопровода. Детекторы временной отметки В настоящее время наиболее подходящим детектором временной отметки является детектор, в котором электроны, выбитые из тонкой металлической пленки-конвертора, стоящей на пути осколка, усиливаются усилителем вторичных электронов на основе микроканальных пластин (МКП). Конвертор может быть сделан достаточно тонким, чтобы потери энергии осколков в нем были всего ~0,5 МэВ. Транспортировка выбитых электронов (~10-100 штук) на МКП, стоящую в стороне от траектории осколков, может осуществляться различными способами. Например, после предварительного ускорения до 1-2 кэВ электроны отражаются от электростатического зеркала, образованного двумя сетками, под углом 450 к оси пучка и попадают на поверхность сборки МКП, расположенную параллельно пучку. Есть и другие способы доставки электронов на МКП - главное чтоб время пролета электронов до МКП не зависело от места их возникновения. Детекторы расположены в вакуумных камерах при давлении не выше 10-4 мбар. Детектор энергии осколка Для спектрометрии продуктов деления по энергии могут рассматриваться полупроводниковые детекторы и ионизационные камеры (ИК). Полупроводниковые детекторы более удобны в работе – низкое напряжение, отсутствие входного окна, отсутствие газовой системы, но для тяжелых заряженных частиц они проигрывают газовой ИК с сеткой Фриша по энергетическому разрешению. Газовая ИК будет работать при давлении ~100 мбар , возможные рабочие газы – CF4, Ar+CH4 или изобутан. Газовый объем ИК отделяется от высокого вакуума ионного тракта тонкой пленкой ~100 мкг/см2 на поддерживающей сетке. Для обеспечения требуемого разрешения и стабильности требуется проток газа со скоростью ~1 литр/час. ИК может использоваться для определения заряда осколков методом измерения удельных потерь энергии (см. ниже). Электростатический ионопровод Для обеспечения высокой трансмиссии по всей длине ионного тракта расположен коаксиальный конденсатор, образованный стенками трубы и нитью, натянутой по всей длине (с разрывами только для детекторов времени), на которую подан отрицательный потенциал порядка нескольких киловольт. Ионы движутся по спиралям вокруг центрального электрода. Вместо электростатического ионопровода для повышения светосилы спектрометра может быть рассмотрена система квадрупольных электростатических линз. Внутри ионопровода помещаются несколько диафрагм, которые поглощают ионы рассеявшихся на малые углы при касательном ударе о стенку. Возможность измерения заряда Схема спектрометра позволяет определять ядерный заряд осколков по их удельным потерям энергии. Например, это можно сделать путем анализа формы импульса тока в ИК, который для аксиальной геометрии камеры представляет собой «развертку» удельных потерь энергии по длине трека в камере. При известных полной энергии и массе знание кривой удельных потерь позволит определить заряд осколка. Такой анализ может быть сделан наилучшим образом с помощью флэш –АЦП. Также это можно сделать путем введения калиброванного однородного по толщине поглотителя энергии осколка и измерения скорости осколка до и после такого замедления. Для этого предусмотрена третья детекторная камера. Мишени Для использования спектрометра в двухплечевом варианте требуются мишени на тонкой прозрачной для осколков подложке. В качестве подложки могут служить пленки из титана, углерода, окиси алюминия толщиной ~ 100 мкг/см2. Пленки закрепляются на легкой рамке, и на них наносится исследуемый изотоп, например, методом вакуумного напыления. Для исследований в одноплечевом варианте мишени может наноситься на стабильную непрозрачную подложку, но при этом следует минимизировать массу материала подложки для уменьшения энегрговыделения и рассеянного излучения из канала. Основной причиной уменьшения массы мишени в процессе облучения является не деление изотопа, а распыление её за счет агрегатной отдачи: осколки деления в каждом акте выбивают из мишени кластер ~103-104 атомов. Чтоб избежать этого мишень должна быть покрыта защитным слоем толщиной ~ 100 мкг/см2. Такой слой можно нанести методом вакуумного напыления. Устройство загрузки мишени Для доставки мишени в рабочее положение к центру канала предусмотрено устройство смены мишени. Основная часть его представляет собой телескопическую штангу, которая при раздвижении захватывает мишень из специальной кассеты, а после облучения, на пути назад, мишени сбрасывается в специальный контейнер, после чего цикл повторяется. Кассета вмещает 10 мишеней, которые могут быть сменены во время компании реактора без разгерметизации камеры. Кроме того, телескопическая штанга при выдвижении натягивает по своей оси металлическую нить и в месте с ней образует внутриканальную часть электростатического ионопровода. Осколки летят внутри штанги «накручиваясь» на нить. В сдвинутом состоянии штанга может быть сдвинута в сторону от оси пучка и на ее место помещается при этом радиационная заглушка-шибер. Все это устройство смонтировано в вакуумном корпусе и образует единый вакуумный объем с каналом и детекторной системой. Биологическая защита Приканальная часть прибора, а именно камера устройства смены мишени, должна быть окружена биологической разборной защитой из блоков тяжелого бетона толщиной 40 см для защиты от рассеянного излучения из открытого канала большого диаметра. Кроме того, именно в этой части будет максимальным загрязнение внутренних частей продуктами деления и будет находиться штанга и отработанные мишени, облученные в канале и имеющие высокую наведенную активность. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМОГО Поток нейтронов в месте расположения мишени Телесный угол захвата с включенным электростатическим ионопрводом без фокусировки Временное разрешение (на 2 детектора) Пролетная база Энергетическое разрешение ионизационной камеры Эквивалентное разрешение по массе фрагментов Разрешение по заряду осколков Скорость счета событий деления* - одноплечевой вариант с включенным электростатическим ионопрводом без фокусировки Скорость счета совпадений ** - двухплечевой вариант 21014 1/см2с ~110-3 ср ~210-5 ср ~150 пикосекунд 12 м ~500 кэВ ~1 а.е.м. ~1e ~2105 1/с ~4103 1/с ~ 10 1/с Особенно перспективно использование прибора в двухплечевой схеме. Проигрывая электромагнитному прибору по разрешению, времяпролетный прибор опережает его по светосиле и трансмиссии. Он, в отличие, от электромагнитного спектрометра позволяет анализировать весь спектр масс продуктов деления одновременно. ~ 6 метров 5 3 6 4 1 2 7 Рис.1 Общий вид времяпролетного спектрометра на канале 5 реактора ПИК. 1-детекторные камеры с детекторами временной отметки, 2-ионизационная камера, 3-ионопроводы, 4-устройство смены мишени, 5-вакуумированный канал реактора, 6-вакуумный шибер, 7-ловушка пучка. 6 5 3 1 2 4 Рис.2 Детекторная камера с детектором временной отметки. 1-тонкая пленка-конвертор, 2-ускоряющая сетка, 3-сетки электростатического зеркала, 4-сборка микроканальных пластин, 5-нить-центральный электрод электростатического ионопровода, 6- внешний электрод электростатического ионопровода. 5 2 6 7 3 1 4 Рис.3 Устройство смены мишени . 1-телескопическая штанга, 2-рамка с мишенью, 3-кассета с 10-ю сменными мишенями, 4-контейнер для приема отработанных мишеней, 5-шлюз с манипулятором для загрузки кассет с мишенями, 6-радиационная пробка-заглушка, 7-нить электростатического ионопровода.
