Содержание к диссертации
Введение
Глава II. Кинематика реакции и упругого рассеяния протонов на JVCL 15
2.1. Угловые распределения ot0-частиц из реакции 15
2.2. Угловая и энергетическая зависимость сечения упругого рассеяния протонов на 23Уси 28
Глава III. Методика эксперимента 36
3.1. Камера рассеяния и спектрометры заряженных частиц 36
3.2. Мишени 42
3.3. Спектрометр мягкого V и рентгеновского излучения 46
3.4. Интегратор тока 55
Глава ІV. Экспериментальные результаты, их обработка и обсуждение 67
4.1. Статистическая обработка экспериментальных результатов 67
4.2. Обсуждение результатов 81
Глава V. Обсуждение механизма распада возбужденных состояний по о/ -каналу с учетом внутренних степеней свободы о -частицы
Выводы
Заключение 115
Примечание 116
Литература
- Угловая и энергетическая зависимость сечения упругого рассеяния протонов на 23Уси
- Мишени
- Спектрометр мягкого V и рентгеновского излучения
- Статистическая обработка экспериментальных результатов
Угловая и энергетическая зависимость сечения упругого рассеяния протонов на 23Уси
Настоящая работа выполнена на электростатическом ускорителе Харьковского Физико-технического института на максимальную энер- ига 4 МэВ. Пучок протонов, имевший энергетический разброс около I кэВ при нестабильности средней энергии не более 0,1 %, направишся в камеру, схематически изображенную на рис. 2. Перед вхо-[ом в камеру, представляющую собой цилиндр с двумя боковыми :рышками, пучок формировался двумя диафрагмами диаметром 3 мм, іасположеншми на расстоянии 600 мм друг от друга. Такая колли-іирующая система ограничивала расходимость пучка в камере углами 0,3 от направления оси. Внутри камеры находилась еще одна диа-ірагма (антирассеивающая) диаметром 3,5 мм, расположенная на асстоянии 120 мм от второй вырезывающей диафрагмы и 70 мм от шпени. После прохождения через свободную мишень, расположенную центре камеры, пучок протонов попадал в цилиндр Фарадея. Внут-енний защитный экран его был сделан таким образом, что под мак-имальным углом измерения 160 детектор не регистрировал протонов, асееянных дном цилиндра Фарадея. Для предотвращения вылета вто-ичных электронов, выбиваемых падающими протонами, на защитный лектрод подавалось запирающее напряжение около 200 В.
Боковые крышки камеры могли вращаться без нарушения вакуума, а одной крышке было установлено четыре поверхностно-барьерных етектора на одинаковом расстоянии от центра камеры. Эти детек-оры служили для измерения функции возбуждения (р, о/о)-реакции угловых распределений ос-частиц в пределах от 30 до 160. очность установки углов детекторов по отношению к пучку протонов составляла +0,1. Через центр крышки вводился шток, имеющий поступательную и вращательную степени свободы. На штоке укреплялся пластинчатый держатель мишеней с пятью отверстиями, В три отверстия вставлялись мишени, в одно - радиоактивный ОС -источник и одно оставалось свободным. Блоскоость мишени располагалась в центре камеры с точностью +0,1 мм. Во время измерения мишенедержатель фиксировался, и его положение не изменялось при вращении крышек камеры. Плоскость мишени можно было устанавливать под углами от 30 до 150 по отношению к пучку протонов. Детектор, расположенный на второй крышке, использовался как монитор при измерении угловых распределений Об-частиц (мониторирование велось по QL -частицам) и служил для измерения выхода упруго рассеянных протонов при измерениях функций выхода. Расстояние его от центра камеры можно было изменять в случае необходимости в широких пределах без нарушения вакуума. Это позволяло изменять загрузку в зависимости от того, что регистрировалось - ос-частицы или протоны. Устанавливался этот детектор, как правило, под углом 160 по отношению к пучку налетающих протонов.
С целью уменьшения электрических наводок на входы усилителей все детекторы помещались в металлические колпачки, выводы от них на разъемы имели двойную экранировку. Перед каждым детектором помещалась коллимирующая система из двух вырезывающих диафрагм. Во время проведения измерений все смотровые окна камеры закрывались светонепроницаемыми крышками, что позволило свести фототок детекторов к минимуму. В результате принятых мер при пропускании пучка протонов через свободное отверстие в держатале мишеней фон практически отсутствовал.
Вакуум в камере поддерживался при помощи масляного диффузионного насоса, соединенного с камерой коротким патрубком. Дав - 39 ление в камере в течение всего эксперимента поддерживалось на уровне лучше 10 Торр.
Камера и диффузионный насос крепились на массивной стальной плите, которая могла перемещаться по другой стальной плите, лежащей на подставке, с помощью котировочных винтов в любом направлении в горизонтальной плоскости. Перемещение камеры по вертикали осуществлялось тремя винтами, расположенными в гнездах подставки. Эти же винты использовались для того, чтобы наклонять камеру. Такая конструкция позволяла проводить юстировку пучка легко и быстро.
Для регистрации ос-частиц из реакции c/va( p;o4J i/fe были изготовлены поверхностно-барьерные детекторы из кремния
П-типа с удельным сопротивлением : 100 ом»см. Такие детекторы позволяют эффективно отделять об-частицы от протонов. Действительно, при энергии протонов 3 МэВ энергия ос -частиц из реакции составляет 4,33 МэВ, а пробеги их ( (X и р ) в кремнии равны 100 и 20 мкм соответственно. При напряжении смещения на детекторе 15 В толщина обедненного слоя составляет несколько больше 20 мкм, и отношение амплитуд импульсов от оС -частиц и протонов больше, чем 5:1. Такая дискриминация импульсов от протонов весьма существенна .для уверенной регистрации неболь-иого числа оС-чаотшц на большом протонном фоне, что имеет место при измерении углового распределения под малыми углами, еде скорость счета рассеянных протонов может превосходить 10 змп./сек.
Мишени
При использовании в спектрометре спднтилляционного детектора достигается высокая эффективность регистрации излучения во всей области энергий Х-А И-, начиная с 2-5 кэВ. Однако из-за многоступенчатого характера преобразования энергии кванта Х.р. И. в импульс тока энергетическое разрешение сцинтилляционных спектрометров составляет всего 3-4 кэБ для фотонов с энергией » 8 кэВ.
Спектрометры, использующие диоперсию волн на монокристаллах, обладают хорошей разрешающей способностью, достигающей единиц эВ, однако эффективность их очень низкая ( 10 % и менее).
С развитием техники ядерной спектроскопии, использующей полупроводниковые охлаждаемые детекторы, стало возможным создание спектрометров, обладающих одновременно достаточно высоким разрешением и эффективностью в области энергий 1,5-40 кэВ. Такой спектрометр позволяет раздельно регистрировать элементы по К-линиям начиная с алюминия и до элементов с j z 55-60, и по и -линиям, начиная с / 35 и до конца периодической системы Менделеева. Разрешение лучших образцов спектрометров составляет 150-200 эБ при энергии 6,4 кэВ. Хорошее разрешение спектрометров этого типа связано с тем, что на образование пары электрон-дырка, в кремнии тратится в среднем меньше 4 эВ энергии в то время как в аргоне на образование пары электрон-положительный (\ ь тратится 27 эВ, а в спектрометрах с кристаллом J//DI У ( Т ) на получение одного фотоэлектрона тратится л/ 300 эВ.
Спектрометр состоит из полупроводникового детектора излучения, малошумящего предварительного усилителя сигналов детектора, основного формирующего усилителя, экспандера с формирователем импульсов и амплитудного анализатора. Детектор и некоторые элементы электроники помещены в криостат и охлаждаются жидким азотом. Для прохождения излучения криостат имеет тонкое входное бериллиевое окно.
Детектор был изготовлен нами из бездислокационного монокрис-талличёского кремния р -типа [зз}. Удельное сопротивление исходного материала составляло приблизительно 360 ом.см, время жизни носителей заряда -1 мсек при 300К. Для получения диода с p-1-yt структурой использовалась известная технология, основанная на компенсации объемного заряда акцепторов ионами лития [34І.
Разрешение спектрометра в определяющей степени зависит от схемы низкошумящего заряда/чувствительного предусилителя и конструкции охлаждаемой части спектрометра.
В качестве входного элемента предусилителя использовался полевой транзистор типа КП ЗОЗГ. Его параметры, в основном, определяют разрешение спектрометрического тракта при детектировании низкоэнергетического излучения, когда дисперсия сигналов, обусловленная статистическим характером регистрации фотонов, мала. Поэтому выбор режима триода, температуры его кристалла, способа включения и подбор экземпляра очень существенны.
Б большинстве случаев задание режима -полевого транзистора осуществляется с помощью резисторной отрицательной обратной связи Г25,2б" . Большим ее достоинством является конструктивная простота и, особенно, возможность настройки предусилителя без детектора. Если бы шум резистора отрицательной обратной связи имел исключительно тепловую природу и величина сопротивления не зависела, от частоты, вкладом его шума в разрешение можно было бы пренебречь при величинах сопротивления более 100 ГОм.
Подходящими в конструктивном отношении резисторами отечественного производства являются резисторы типа КЕМ, имеющие проходную емкость 4 0,2пФ, однако они относятся к типу композиционных и имеют шумы, значительно превышающие тепловые, особенно в низкочастотной области [35,36,37].
Поэтому в разработанной нами конструкции спектрометра мы отказались от применения резисторнои отрицательной обратной связи, применив для стабилизации режима полевого транзистора стоковую обратную связь 38]. Этот метод стабилизации режима полевого транзистора основан на использовании тока, ударной ионизации в полупроводнике перехода затвор-сток (лавинный пробой), возникающего, когда напряженность электрического поля в переходе увеличивается выше определенного порогового значения и носители заряда приобретают энергию, достаточную для того, чтобы порождать пары электрон-дырка. Этот ток и компенсирует ток детектора. Пороговое напряжение, при котором ток затвора достигает то 10 х А для зарубежных полевых триодов 2M44I6 около 13 В, для отечественных КНЗОЗГ - около 7В [зэ].
В методе стоковой обратной связи ток затвора, возникающий в результате ударной ионизации, используется для поддержания потенциала на затворе.
Спектрометр мягкого V и рентгеновского излучения
Интегратор тока применяется для измерения заряда, прошедг-шего через мишень. Значительная часть из них использует эффект накопления заряда на емкости, которая после накопления определенного заряда 6г разряжается. Во время разряда накопительной емкости схема генерирует импульс. Таким образом происходит преобразование заряда Q в последовательность, состоящую из Л"5 % импульсов. При измерении заряда импульса регистрируются счетным устройством, при измерении тока - интенсиметром.
Для измерения заряда протонов, прошедших через мишень, использован разработанный нами интегратор тока 42,43] . Необходимость в разработке интегратора возникла ввиду того, что измерение угловых распределении под 12-14 углами проводилось последовательно во времени по 4-5 точек, причем из-за малого телесного угла неподвижный детектор, предназначенный для регистрации протонов который использовался как монитор давал большую статистическую ошибку. При выбранном способе измерений угловых распределений от интегратора требуется высокая временная стабильность и малая величина заряда ЦІ . Удовлетворить этим требованиям с помощью обычно применяемых схем на электронных лампах с электромеханическими прерывателями входного тока затруднительно. Использование разработанной бесконтактной, полностью транзисти-рованной схемы позволило увеличить частоту квантования заряда до ICr сек"1 по сравнению с 50 сек""1 в электромеханических системах и соответственно уменьшить величину заряда на один выходной импульс до QJ = I0""I0J i/\ при удовлетворительной временной стабильности.
Одним из аналогов рассматриваемого интегратора является блокинг-генератор [44] рис.6. Однако блокинг-генератор как интегратор тока обладает существенными недостатками, делающими его непригодным для измерительных целей. В промежутке между импульсами (рис.7) конденсатор С/ перезаряжается не только входным током —J , но и обратными токами коллекторного и эмитер-ЕЮГО переходов. Кроме того, блокинг-процесс в рассматриваемой зхеме может начинаться только при значительном входном токе, достигающем единиц /Un и более, когда транзистор 7 обладает необ-юдимым усилением.
Значительного улучшения характеристик о. Г. как интегратора ока можно достигнуть отделив накопительную емкость от входа уси-штеля кремниевым диодом с малым током утечки (рис.8). Усили- ель о.П в этом случае обладает высокой стабильностью, обеспечи-$аемой соответствующим выбором резисторов 1 «, К и R?v О- 61"" ;о такая схема не может быть использована для измерения малых оков, т.к. прямое сопротивление кремниевого диода при малом то-в достигает 10 Ом и более. Это сопротивление в цепи положителъ-ой обратной связи включено последовательно и поэтому положителъ-ая обратная связь при малых токах оказывается недостаточной для азвития блокинг-процесса.
Предложенный нами интегратор тока отличается от последнего докинг-генератора тем, что между входом усилителя блокшг-знератора и накопительным конденсатором в цепи положительной Зратной связи включен варикап. Это отличие позволяет измерять )ки, сравнимые с токами утечки кремниевых варикапов, которые у собранных экземпляров могут быть около 10 и менее.
Изобретение поясняется рис.9, где обозначено: - jf -ІТОЧНИК входного тока (отрицательного); JJ. -резистор, ограничиющий входной ток до допустимых пределов и отделяющий выходную емкость источника тока от входа схемы; А. г. , cyg , [Cij -резисторы установки режима транзистора Tj; R$ - резистор нагрузки (входное сопротивление исследующей схемы); Qx " накопительный конденсатор, он же - конденсатор положительной обратной связи; Ох -конденсатор колебательного контура; С -блокировочный конденсатор; 2 - варикап; &г.- даод» служащий для подачи в нагрузку импульса нужной полярности; ftJjT, (/ и и/$ - коллекторная, базовая и нагрузочная обмотки трансформатора Тр.
Предложенное устройство представляет собой управляемый внешним током автогенератор, совмещающий в себе свойства генератора высокой частоты и блокинг-генератора. Такое совмещение свойств возможно, благодаря использованию свойств варикапа, который при обратном смещении представляет собой управляемую приложенным напряжением емкость, а при прямом смещении - малое сопротивление [п].
Устройство работает следующим образом. Предположим, в начальный момент времени варикап находится в проводящем эостоянии. Тогда цепь положительной обратной связи замкнуто, и в зхеме развивается блокинг-процесс. За счет заряда конденсатора Cj в результате блокинг-процесса точка А получает положительный потенциал относительно базы триода. Это напряжение прилагается к варикапу 3Y В запорном направлении, что уменьшает его емкость настолько, что коэффициент усиления в петле положитель-юй обратной связи становится меньше единицы.
Статистическая обработка экспериментальных результатов
Экспериментально измеренные угловые распределения сравниваясь с теоретическими (гл. 2) при различных У" , и Г, о тепень согласия оценивалась по критерию Jf В табл. 4 пред-тавлены Тг . , отнесенные к одной степени свободы. Значения Л КУПИ. оэффициентов спинового и орбитального смешиваний приведено для ех случаев, у которых Уг . подчеркнуто.
Пример сечений поверхности Jf (Т})/(jv-At) плоскостями = тк и -"= Тт,-Л при обработке углового распределения (X - частиц. что вероятность для нормального распределения уменьшается в )/ раз при смещении от минимума на величину среднеквадратичного отклонения 6 . Соответственно, параметры QQ , Т и численно варьировались в окрестности минимума у2- , и находились такие приращения параметров, для которых у увеличивалась на единицу. Такое приращение в линейном приближении соответствует дисперсии варьируемого параметра. Пример обработки углового распределения ofo-частиц при Е = II , кэВ показан на рис.14. Учитывая, что во многих случаях . 1, нет необходимости более подробно анализировать функцию правдоподобия [47].
Анализ данных по выходам л/ -частиц и упругого рассеяния протонов производился с учетом конечности толщины мишени и разброса энергии протонов в пучке ускорителя. Выход реакции при средней энергии пучка Во в расчете на один упавший на мишень протон можно записать в виде Г 19 , стр.285] где д. -число атомов сЛа. на If вещества мишени, О (Е) - полное поперечное сечение реакции при энергии Е. ; 1СГ (1 , Е , X )olE - вероятность того, что упавший на мишень тротон с энергией Ei имеет энергию между и +ст на глубине X і /см внутри мишени, а (& , )QIE; - вероят-юсть того, что частица в падающем пучке со средней энергией Ef щеет энергию между E.IEJ +JE; ; І- толщина мишени в 17см2. \ область резонансов обычно считается, что разброс энергий частиц \ пучке не зависит от средней энергии пучка и описывается гаус-ианом, зависящим от Eg""EJ , а функция описывающая разброс [астщ пучка по энергии в мишени зависит в первом приближении лишь от С Ь и С& . При этом для описания резонанса полного поперечного сечения используется формула Брейта-Вигнера 6YE} to (E-EJz+rz/h где Ер -резонансная энергия Г - полная ширина резонанса. Величина g"i связана с парциальными ширинами реакции -Wr-g i .SAg-] (I7) где fp и Гу - соответственно ширины образования и распада состояния составного ядра, а суммирование проводится по всем каналам, спины падающей частицы, ядра мишени и состояния составного ядра соответственно
В нашем случае предварительно обрабатывались угловые распределения / -частиц. Зная gj? можно записать выражение для дифференциального сечения реакции где #» - коэффициенты разложения угловых распределений Q -частиц по полиномам Лежандра Pj . Ввиду сравнимой величины энергетического размытия пучка и радиационных толщин применяемых мишеней при обсчете выходов протонов и рг-частиц учитывалось только торможение протонов в мишени, но не учитывался их траглинг, т.е. принималось, что РеДняя величина тормозной способности з области резонанса. При таком предположении трёхкратный интеграл (16) сводится к однократному и выход ос-частиц из реакции где Е# -толщина мишени (кэВ), -дисперсия пучка падающих протонов (кэВ).
Учитывая приведенное выше выражение для дифференциального сечения получаем, что детектор с/-частиц с телесным утлом J .. под углом р будет регистрировать выход из реакции
Для описания выхода протонов нужно учесть, что дифферент циальное сечение упругого рассеяния в области резонанса имеет зависимость от энергии вида oU- dJi J 4-е2-e Z( cE)/r Рассмотрение, аналогичное проведенному выше для Q{-частиц приводит к следующему выражению для выхода протонов под углом Во для детектора с телесным углом AS -p Т.к. выходы протонов и рс-частиц измерялись одновременно, то для определения величин op , а и в часто удобно было использовать отношения JIQ{ /Jib т.е. тогда нет необходимости знать тормозную способность вещества мишени и число ядер натрия на I г вещества мишени. Для калибровки в этом случае использовалась нерезонансная часть упругого сечения, определяемая из рассеяния протонов на мишени (рассеяние на ifa. считалось кулоновским)
