Физические свойства границы раздела конденсированная среда-газ в эмиссионных ионизационных детекторах

На правах рукописи

ХАМУКОВА ЛИАНА АМУРБЕКОВНА

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА КОНДЕНСИРОВАННАЯ СРЕДА-ГАЗ

В ЭМИССИОННЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРАХ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик

2011

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния

ГОУ ВПО “Кабардино-Балкарский государственный университет

им. Х.М. Бербекова”

Научный руководитель:	-	доктор физико-математических наук, профессор Хоконов Азамат Хазрет-Алиевич
Официальные оппоненты:	-	доктор физико – математических наук, профессор Борлаков Хиса Шамилович
	-	кандидат физико – математических наук, доцент Каров Борис Галимович
Ведущая организация:	-	ГУ Высокогорный геофизический институт

Защита состоится 5 июля 2011 года в 15.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004,

г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КБГУ, по адресу: г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, корпус 1.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах направлять ученому секретарю диссертационного совета КБГУ профессору Ахкубекову А.А. по указанному адресу.

Автореферат разослан 4 июня 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор

А.А. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время особый интерес представляет использование нового типа детектора – эмиссионной камеры с газовым усилением (ЭКГУ) для измерения ультранизких активностей. Основной объем камеры заполнен конденсированной средой, обеспечивающей высокую эффективность регистрации ионизирующих излучений. Электроны ионизации под воздействием внешнего поля вытягиваются в газовую среду, где имеет место лавинное усиление электронного сигнала. Использование оптически прозрачных сред позволяет наряду с электронным сигналом измерять световой поток, порождаемый ионизацией. Допустимо возможное количество вещества мишени определяется глубиной инжекции электронов ионизации из конденсированной фазы в газовую. При современных технологиях очистки рабочих сред от электроотрицательных примесей толщина инжекции составляет порядка 1 м для конденсированных инертных газов (аргон, криптон, ксенон) и около 10 см для жидких предельных углеводородов. Это позволяет создавать детекторы с многотонным рабочим веществом для решения таких фундаментальных задач, как прямое детектирование солнечного рр-нейтрино по электронам отдачи и поиск нейтралино – слабовзаимодействующей массивной частицы, основного кандидата на роль “темной материи”. При упругом рассеянии нейтралино на ядрах мишени будут образовываться ядра отдачи с энергиями, не превышающими 50 кэВ. Регистрация столь малого энерговыделения требует обеспечения эффективной эмиссии электронов ионизации и последующего многократного усиления электронного сигнала в газовой фазе. Для практического решения этой задачи необходимо предварительно теоретически построить профиль потенциала границы раздела и найти прозрачность потенциального барьера с учетом сил изображения.

Большой практический интерес представляет замена в двухфазном детекторе сжиженных инертных газов углеводородными мишенями, что позволит работать при комнатных температурах и тем самым существенно снизить стоимость эксплуатации установки. При использовании предельных углеводородов в качестве рабочего вещества детектора возникает вопрос о допустимой концентрации радиоактивного изотопа 14С, позволяющей проводить измерение ультранизких активностей. Из сказанного выше следует актуальность данной работы.

Цель работы: изучение распределения ионизационных потерь энергии электронов по глубине в конденсированных углеводородных мишенях, экспериментальное изучение спектрометрических свойств криптона и аргона с с двухпроцентной ксеноновой добавкой в диапазоне энергий рентгеновских фотонов от 10 до 60 кэВ, построение теории полевой эмиссии электронов жидкий неполярный диэлектрик-газ, нахождение термодинамического уравнения состояния для инертных газов вблизи точки конденсации.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Изучение спектрометрических возможностей инертных газов (аргон, криптон, ксенон) для применения в двухфазных детекторах.
2. Исследование особенности формирования профиля электростатического потенциала вблизи границы раздела фаз и построение полного распределения электрического потенциала в объеме для решения задач восстановления треков заряженных частиц.
3. Вычисление вероятности прохождения неравновесных электронов через границу раздела жидкость-газ.
4. Расчет ионизационных потерь и пробегов релятивистских электронов в предельных углеводородах.
5. Проведение оценки темпа счета солнечного рр – нейтрино по электронам отдачи и слабовзаимодействующих массивных частиц по ядрам отдачи рабочего вещества детектора.
6. Получение уравнения состояния криптона и ксенона в двумерном и трехмерном случаях.

Научная новизна полученных результатов:

1. Показано, что двухпроцентная добавка ксенона позволяет улучшить спектрометрическое характеристики аргонового счетчика, снизить рабочее напряжение с 1500 В до 800 В и получить эффективность регистрации 2% для фотонов с энергией 59.6 кэВ.
2. Построен потенциал вблизи границы раздела фаз с учетом сил изображения и внешнего поля формирующих электродов, определяющий эмиссионные свойства детектора.
3. Найдена вероятность прохождения неравновесных электронов через эффективный потенциальный барьер границы раздела жидкость-газ.
4. Проведена оценка темпа счета двухфазного детектора для прямой регистрации солнечного рр – нейтрино и нейтралино.
5. Установлены допустимые концентрации содержания изотопа в углеводородной мишени ~ для экспериментов по прямой регистрации солнечного рр-нейтрино.
6. Методом молекулярной динамики получено уравнение состояния криптона и ксенона в двухмерном и трехмерном случаях.

Практическая ценность работы.

Предложено использовать двухпроцентную ксеноновую добавку, что позволяет снизить рабочее напряжение на анодной нити аргонового пропорционального счетчика с 1500 В до 800 В, улучшив при этом спектрометрическое разрешение и эффективность регистрации жестких рентгеновских фотонов с энергиями в диапазоне от 8 до 40 кэВ. Показана возможность проведения рентгено-флуоресцентного анализа переходных элементов с Z=29-55 с помощью регистрации пиков вылета в криптоновом пропорциональном счетчике. На основании расчетов получены практические рекомендации для изготовления и размещения многонитяного анода и дополнительной вытягивающей сетки в двухфазном эмиссионном детекторе. Проведена оценка темпа счета двухфазного детектора в задачах прямой регистрации солнечного рр – нейтрино и нейтралино. Обоснована возможность использования предельных углеводородов для низкофонового двухфазного детектора большого объема, способного работать при комнатных температурах. Разработан способ получения уравнения состояния двумерных и трехмерных систем, основанный на методе молекулярной динамики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Использование двухпроцентной ксеноновой добавки позволяет снизить анодное напряжение в два раза и улучшить спектрометрические характеристики. При этом эффективность регистрации фотонов с энергией, превышающей К-край поглощения ксенона увеличивается более чем в два раза.
2. Распределение электростатического потенциала в объеме двухфазного детектора и аналитическое представление для профиля потенциального барьера на границе раздела фаз.
3. Уравнение состояния криптона и ксенона в двумерном и трехмерном случаях.

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все расчеты, представленные в работе. Разработаны программы для расчета ионизационных потерь электронов в газообразных и конденсированных средах, вычисления сечений упругого рассеяния нейтрино на электронах и нейтралино на ядрах. Составлены программы для обработки результатов спектрометрических экспериментов. Научный руководитель принял участие в постановке задач, проведении экспериментальной части работы и обсуждении результатов.

Апробация результатов.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Публикации: По теме диссертации опубликовано 8 работ, три из них – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 90 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 5 таблиц. Состоит из введения, трех глав и списка литературы из 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, формулируются цель и задачи диссертационной работы, описана научная и практическая ценность результатов.

В первой главе представлены принцип работы и конструкция основных типов эмиссионных детекторов. Излагается современное состояние теории упругого рассеяния нейтралино на ядрах.

Во второй главе определяются эффективные толщины радиационного воздействия МэВ-ных электронов на предельные углеводороды и органические материалы. Рассчитаны ионизационные потери электронов, заметно превышающих усредненный потенциал ионизации атомов среды, которые описываются в рамках теории Бете-Блоха. Для однокомпонентной атомарной среды, формулу Бете-Блоха удобно переписать в виде:

, (1.1)

где кинетическая энергия, масса электрона, плотность среды, число Авогадро, заряд молекулы, атомарный вес атомов среды. Функция имеет вид:

, (1.2)

где , средняя энергия возбуждения, , поправка на эффект плотности, которая в релятивистском пределе стремиться к виду: , .

В случае однокомпонентной молекулярной среды с химической формулой вида обобщением формулы (1.1) является выражение:

, (1.3)

где молярная масса молекулы соединения.

Распределения удельных ионизационных потерь электронов с начальными энергиями 4 и 8 МэВ по глубине в оргстекле и полиэтилене показаны на рисунке 1.

а) б)

Рис. 1. Удельные ионизационные потери электронов с начальными энергиями 4 и 8 МэВ в оргстекле (а) и полиэтилене (б) в зависимости от глубины прохождения z.

Расчет ионизационных пробегов в инертных газах, производимый по формуле Бете-Блоха, приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Пробеги электронов в инертных газах при давлении Па в зависимости от энергии.

Описаны принципы работы модифицированного аргонового пропорционального счетчика с двухпроцентной ксеноновой добавкой и криптонового пропорционального счетчика СРПО для рентгено-флуоресцентного анализа переходных элементов с Z=29-55 с помощью регистрации пиков вылета.

Для первого счетчика рассчитана эффективность регистрации фотонов без учета поглощения в окне (см. рис. 3).

Рис. 3. Эффективность аргонового пропорционального счетчика с двухпроцентной ксеноновой добавкой – верхняя кривая и в чистом аргоне – нижняя кривая.

Эффективность регистрации рентгеновских фотонов рабочей смесью определяется вероятностью поглощения параллельного потока фотонов:

,

где и – полные сечения поглощения фотонов с частотой для и , – определяется отношением парциальных давлений, и – число атомов и в единице объема, - длина рабочей области.

Области вблизи К-края поглощения ксенона кэВ соответствуют два значения эффективности до и после К-края поглощения. Как видно из таблицы, при энергиях фотонов меньше эффективности регистрации счетчика с ксеноновой добавкой и без нее, отличаются незначительно, тогда как при энергиях фотонов, превышающих К-край поглощения двухпроцентная ксеноновая добавка приводит к более чем двукратному росту эффективности.

Расчет эффективности регистрации рентгеновских фотонов с энергиями от 10 до 50 кэВ аргоновым пропорциональным счетчиком с двухпроцентной ксеноновой добавкой и без нее приведен в таблице. Использованы данные по сечениям фотоэффекта в аргоне и ксеноне.

Таблица. Эффективность регистрации пропорционального счетчика

Энергия, кэВ	Эффективность, %
	Ar	Ar + Xe
10	43	49
15	16	18.6
20	7	8.4
30	2	2.5
34.56	1.4	1.7 3.3
40	0.8	2
50	0.4	1