CC BY
9
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 138
1965
сцинтилляционный спектрометр «полного поглощения» для исследования тормозного излучения бетатрона
Етах=тмэв
В. Б. КУЗНЕЦОВ (Представлена научным семинаром НИИ ЭИ)
Для исследования прохождения тормозного излучения бетатрона через различные материалы разработан сцинтилляционный спектрометр «полного поглощения» с кристаллом размерами 100X200 мм' и ФЭУ—49А. Спектрометр состоит из следующих элементов (рис. 1):
1 —свинцовая защита; 1а — борная защита;
2 — коллимационное устройство;
3 — кристалл;
4 — фотоумножители;
5 — стоканальный анализатор импульсов;
6 — блок синхронизации;
7 — блок питания.
Свинцовая защита состоит из 30 колец диаметром 500 мм с отверстиями для кристалла и ФЭУ диаметрам 30 см. Лобовая защита спектрометра равна 30 см, боковая 10 см. Свинцовые кольца собираются вместе на направляющих и образуют единый защитный блок, общий вес которого около 3 тони.
Для выбора оптимальной геометрии регистрации ^-квантов был произведен анализ прохождения излучения через лобовую защиту и коллимационное отверстие (рис. 2). В данном случае необходимо учитывать следующие факторы (1):
— чисто геометрический фактор ослабления (определяется действительным телесным углом, стягиваемым коллиматором);
— фактор, учитывающий прохождение квантов через кромку коллиматора переменной толщины;
С3 — фактор, учитывающий прохождение через лобовую защиту; б4 — фактор, учитывающий часть квантов, которые рассеялись в канале коллиматора и попали на сцинтилляционный кристалл.
На рис. 2 показаны траектории ? - квантов, иллюстрирующие вышеуказанные факторы,
С)
Для определения и 0/к необходимо найти телесный угол, в котором заключены кванты, распространяющиеся в направлении кромки коллиматора,
1 2* агс*/ГГ
й*2 = -| | эта-Ф^-йа, (2)
о ( г
Проходя через кромку коллиматора, кванты ослабляются в соответствии с длиной пути, пройденного им в свинце. Этот путь равен
Ь^-1---—, (3)
СОБ а ЭШ а
тогда
1 ЛГС^ ' I г °2 = ~ [ ехр [- [X (Е) (---— ) • 81па^а]. (4)
2 0 т \cosa зта/
агс^-
Этот интервал подсчитан по правилу Симпсона разбиением на 10 интервалов для энергий квантов от 1 до 30 Мэв. На рис. 3 представлены результаты расчетов различных / иг. Как видно из рисунков, максимальное значение в., при энергии падающих квантов Е = 3Мэв.
15
Ч
¡0
о
ю
20
30 £
Рис. 3.
Величина О,, определяется из выражения
О. = i .
4
' Оо,
(5)
'об
— сечение комптон - эффекта для квантов данной энергии; ¡^б —полное сечение поглощения в свинце;
V — отношение площади под кривой дифференциального сечения комптоновского рассеяния на угол к полному сечению комптоновско-го рассеяния для данной энергии.
Для низких энергий, где это отношение существенно отлично от 1, средний угол ¡3, на который должны рассеяться кванты, чтобы попасть на кристалл, определяется из следующего выражения:
Л I
Г гхо\с\~ «йх— I гхоХ^-'йх
I X ^ х
— о
(6)
Для энергий квантов Е^БМэв можно считать практически равным 1. Зависимость от Е~{ представлена рис. 4.
Определение 0?, можно существенно упростить, полагая, что все кванты, проходящие через лобовую защиту, проходят в свинце одинаковое расстояние £
где 5кр — площадь передней грани кристалла. Зависимость Ог, от Е^ представлена на рис. 5.
Факторы (?3 и вь приводят как бы к увеличению телесного угла, стягиваемого коллиматором. Отношение
(8)
показано на рис. 6.
Рис. 4.
Таким образом, для выбранной геометрии и параметров коллиматора (/=200 см\ £ = 30 см; г=0,5см) эффектами прохождения квантов через лобовую защиту и кромку коллиматора можно пренебречь.
Рис. 5.
Для устранения влияния фона нейтронов перед свинцовой защитой помещается борный поглотитель. Как уже указывалось, в качестве детектора используется кристалл Nal (Ti), сочлененный с фотоумножи-4(1
телями жалюзного типа ФЭУ-49А. Импульсы с фотоумножителя через катодный повторитель и лредусилитель подаются на стоканаль-ный анализатор импульсов АИ-100. Вход анализатора блокируется импульсом с блока синхронизации, который состоит из пластического сцинтиллятора, временного фотоумножителя ФЭУ-33 и формирователя импульсов. Передний фронт синхронизирующего импульса составляет
несколько десятков Нсек, что позволяет применить линию задержки и фиксировать кванты в любой части импульса излучения бетатрона, длительность которого равна 3—5 мсек. Применение синхронизации позволяет снизить фон спектрометра до пренебрежимо малой величины.
Особенность спектрометрии тормозного излучения бетатрона заключается в том, что в течение нескольких \хсек при номинальной интенсивности через сечение коллиматора может проходить 103—105 у-квантов. Волизбежание наложения квантов во времени спектрометр должен иметь высокое временное разрешение, либо за импульс излучения должно фиксироваться не более одного кванта. Нам>и выбран режим, при котором фиксируется 2—5 кв/сек, что соответствует интенсивности 0,1—0,2 \ipjMUH на метре. Это соответствует вероятности сов-падания двух квантов во времени, 0,5—1%. В результате этого на снятие одного спектра для набора удовлетворительной статистики требуется время 4—5 часов.
Следует отметить универсальность данного типа спектрометра, что объясняется его высокой эффективностью регистрации, близкой к 100%. Это позволяет изучать энергетические ,и угловые распределения тормозного излучения бетатрона, генерируемого различными ми-" шенями. Кроме того, широкие пределы регулирования интенсивности излучения при £ mas = const позволяют изучать прохождение тормозного излучения как через тонкие, так и через толстые поглотители.
