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:
- Изучение спектрометрических возможностей инертных газов (аргон, криптон, ксенон) для применения в двухфазных детекторах.
- 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.
- Вычисление вероятности прохождения неравновесных электронов через границу раздела жидкость-газ.
- Расчет ионизационных потерь и пробегов релятивистских электронов в предельных углеводородах.
- Проведение оценки темпа счета солнечного рр – нейтрино по электронам отдачи и слабовзаимодействующих массивных частиц по ядрам отдачи рабочего вещества детектора.
- Получение уравнения состояния криптона и ксенона в двумерном и трехмерном случаях.
Научная новизна полученных результатов:
- 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.
- Построен потенциал вблизи границы раздела фаз с учетом сил изображения и внешнего поля формирующих электродов, определяющий эмиссионные свойства детектора.
- Найдена вероятность прохождения неравновесных электронов через эффективный потенциальный барьер границы раздела жидкость-газ.
- Проведена оценка темпа счета двухфазного детектора для прямой регистрации солнечного рр – нейтрино и нейтралино.
- Установлены допустимые концентрации содержания изотопа
в углеводородной мишени ~
для экспериментов по прямой регистрации солнечного рр-нейтрино.
- 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:
- 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.
- Распределение электростатического потенциала в объеме двухфазного детектора и аналитическое представление для профиля потенциального барьера на границе раздела фаз.
- 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:
- II Международный семинар “Теплофизические свойства веществ” (жидкие металлы и сплавы, наносистемы), г. Нальчик, 25-30 сентября, 2006г.
- Российская школа-конференция молодых ученых и преподавателей. “Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения”, г. Белгород, 25 сентября-1 октября, 2006 г.
- Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2007, КБГУ, пос. Эльбрус, 15-22 апреля, 2007 г.
- XIV Международная школа “Частицы и космология”, пос. Терскол КБР, 16-21 апреля, 2007 г.
- Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2010, КБГУ, пос. Эльбрус, 17-23 октября, 2010 г.
- Международная научно-практическая конференция “Прикладные аспекты геологии с использованием современных информационных технологий”, г. Майкоп, 16-20 мая, 2011г.
- XV Международная школа “Частицы и космология”, г. Троицк, 26-30 мая, 2011 г.
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 |