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

В настоящее время особый интерес представляет использование нового типа детектора —. эмиссионной камеры с газовым усилением (ЭКГУ) для-измерения ультранизких активностей [1, 50]. 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 солнечногорр-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.

Цель работы.

Настоящая работа направлена на изучение распределенияионизационных потерь энергии электронов по глубине в конденсированных углеводородных мишенях и спектрометрических свойств криптона и аргона с двухпроцентной ксеноновой добавкой в диапазоне энергий рентгеновских фотонов от 10 до 60 кэВ. В работе представлено построение теории полевой эмиссии электронов жидкий неполярный диэлектрик-газ, также нахождение термодинамического уравнения состояния для инертных газов вблизи точки конденсации. Для решения этой цели в диссертации были поставлены 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 двухмерном и трехмерном случаях.

Научная новизна работы состоит в следующем.

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. 14С в углеводородной мишени ~ 1(Г19 г/г 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:

1. Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2007, КБГУ (пос. Эльбрус, 15−22 апреля 2007 г.) 1 1.

2. Баксанская Молодежная школа экспериментальной и теоретической физики, БМШ ЭТФ-2010, КБГУ (пос. Эльбрус, 17−23 октября 2010 г.).

3. Российская школа-конференция молодых ученых и преподавателей. «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (г. Белгород, 25 сентября-1 октября 2006 г.).

4. XIV Международная школа «Частицы и космология» (пос. Терскол КБР, 16−21 апреля, 2007).

5. II Международный семинар «Теплофизические свойства веществ» (жидкие металлы и сплавы, наносистемы) (г. Нальчик, 25−30 сентября, 2006 г.).

6. 30 Всесоюзная конференция по космическим лучам (г. Москва, 1−5 июля.

2010 г.).

7. Международная научно-практическая конференция «Прикладные аспекты геологии с использованием современных информационных технологий» (г. Майкоп, 16−20 мая, 2011 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано девять работ, в том числе три статьи в центральных рецензируемых физических журналах, остальные в трудах российских и международных научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения трех глав и списка литературы, включающего 70 наименований. Основная часть работы изложена на 90 страницах машинописного текста. Работа включает 49 рисунков и 5 таблиц.

Выводы ко всей работе.

1. Получены спектры характеристического рентгеновского излучения на модифицированном аргоновом пропорциональном счетчике ксеноновой пеннинговской добавкой.

2. Двухпроцентная ксеноновая добавка позволила снизить рабочее напряжение с 1500 В до 900 В при коэффициенте газового усиления порядка 104. При этом спектрометрическое разрешение составило 12 процентов при 8 кэВ (11 процентов при 30 кэВ).

3. Изучены спектрометрические характеристики СРПО заполненного низкофоновой криптоновой смесью в диапазоне от 8 до 60 кэВ'. Спектрометрическое разрешение составило 13 процентов.

4. Построены профили потенциала барьеров вблизи границы раздела в двухфазном эмиссионном детекторе в случае, когда рабочая среда представляет собой неполярный диэлектрик.

5. Показано, что в случае использования в качестве рабочей среды предельных углеводородов, обосновывается необходимость использования вытягивающей сетки, размещенной в жидкости непосредственно вблизи границы раздела.

6. Проведена оценка темпа счета двухфазного детектора для случаев прямой регистрации солнечного рр — нейтрино по электронам отдачи. В углеводородных мишенях она составила 2 события в день на тонну при чистоте Ю-19 г/г.

7. Для системы с молекулярным взаимодействием реализована процедура получения термодинамического уравнения состояния в рамках метода молекулярной динамики. Найдены постоянные Ван-дер-Ваальса и критические параметры двухмерной системы.