Физические свойства границы раздела конденсированная среда-газ в эмиссионных ионизационных детекторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Хамукова, Лиана Амурбековна

• Хамукова, Лиана Амурбековна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хамукова, Лиана Амурбековна

Введение

Глава 1. Двухфазные детекторы ионизирующих излучений; и слабовзаимодействующих частиц

1.1 Принцип действия двухфазного эмиссионного детектора

1.2 Подвижность и пробеги электронов в предельных углеводородах

1.3 Рассеяние нейтрино на электронах и нейтралино на ядрах отдачи

1.4 Конструкция двухфазного эмиссионного детектора Выводы к главе 1 •

Глава,2. Спектрометрические характеристики газовых рабочих сред применяемых в двухфазном детекторе

2.1 Ионизационные потери в инертных газах

2.2 Ионизационные, потери и пробеги электронов в органических материалах

2.3 Многократное рассеяние и энергетические потери ионов в аморфной среде в рамках модели бинарных столкновений

2.4 Модифицированный аргоновый пропорциональный счетчик с ксеноновой пеннинговской добавкой

2.5 Криптоновый пропорциональный счетчик СРПО для рентгено-флуоресцентного, анализа 3-с1 переходных металлов

Выводы к главе

Глава 3. Распределение электростатического потенциала на границе раздела и полевая эмиссия в двухфазных детекторах

3.1 Распределение электростатического потенциала в объеме двухфазного детектора

3.2 Расчет профиля электростатического потенциала вблизи границы раздела

3.3. Потенциал границы раздела в присутствии дополнительной вытягивающей сетки

3.4 Полевая эмиссия неравновесных электронов

3.5 Использование двухфазного детектора для прямой регистрации солнечного рр-нейтрино

3.6 Возможное применение двухфазного детектора для поиска частиц темной материи

3.7 Получение уравнения состояния в рамках метода молекулярной динамики

Выводы к главе

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 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.

Цель работы

Настоящая работа направлена на изучение распределения- ионизационных 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, 2006г.)

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

2010г.)

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

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.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Хамукова, Лиана Амурбековна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хамукова, Лиана Амурбековна, 2011 год

1. Болоздыня А.И. Эмиссионные детекторы частиц // ПТЭ- № 2. -1985. -С. 5-28.

2. Bolozdynya A. Two-phase electron emission detectors // IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. V.13. - 2006. - P. 616-623.

3. Spicer W. E. Negative affinity III-V photocathodes: their physics and technology //Appl. Phys. V.12. - 1977. -P. 115-130.

4. Болоздыня А.И., Лебеденко B.H., Родионов Б.У., Балакин А.А., Бориев И.А., Яковлев Б.С. Электростатическая, эмиссия электронов в газовую фазу из жидкого изооктана // Журнал Технической Физики. Т.48. - 1978. - С. 1514- 1519.

5. Egorov V.V., Miroshnichenko V. P., Rodionov В. U., Bolozdynya A. I., Kalashnikov S. D. and Krivoshein V.L. Electroluminescence emission gamma-camera //Nucl. Instrum: Meth. 1983. -P. 373-374.

6. Гангапшев A.M., Кузьминов В.В., Пшуков A.M., Хоконов А.Х. О возможности создания двухфазных эмиссионных детекторов для регистрации солнечных нейтрино и поиска wimp // Вестник КБГУ. — № 7. -2002.-С. 34-37.

7. Khamukova L.A., Khokonov A.Kh., Kochkarov M.M., Kuzminov V.V. Emission detector for pp-solar neutrino direct registration and dark matter search: electrical potential distribution and counting rates // PC'07. 2008. - P. 89-100.

8. Казалов В.В. О возможности прямой регистрации нейтралино с помощью двухфазного эмиссионного детектора // БМШ ЭТФ. 2002. -С. 28-33.

9. Герштейн С. С., Кузнецов Е. П., Рябов В. А. Природа массы нейтрино и нейтринные осцилляции // УФН 167. 1997. - С. 811-848.

10. Козлов Ю. В., Мартемьянов В. П., Мухин К. Н. Проблема массы нейтрино в современной нейтринной физике //УФН 167. 1997. -С. 849-885.

11. Темирканов А.В. Свойства границы раздела конденсированная среда-газ // БМШ ЭТФ. 2002. - С. 33-43.

12. Гангапшев A.M. Изучение свойств границы раздела в двухфазных детекторах // БМШ ЭТФ. 2001. - С. 177-185.

13. Финкель Э.Э., Берлянт С.М., Карпов B.JI. Технология радиационного модифицирования полимеров. М.: Энергоиздат. — 1983. — 45 с.

14. Радиационно химическая модификация полимерных материалов -Варшава: Изд. Инст. яд. иссл. - 1978. - Т. 1,2.

15. Групен К. Детекторы элементарных частиц. Сибирский хронограф. Новосибирск. 1999. - 408 с.

16. Росси Б. Частицы больших энергий. -М. Гостехиздат. — 1995. 231 с.

17. R.M. Sternheimer, R.F. Peierls. General Expression for the Density Effect for the Ionization Loss of Charged Particles. Phys. Rev. B. 3. 1971. -P. 3681-3692.

18. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А. Неускоритетельная физика элементарных частиц. М. - 1997. - 527 с.

19. Bethe Н.А. Molieres Theory of Multiple Scattering. Phys. Rev. 89. 1953. -P. 1256-1266. '

20. Бродский A.M., Гуревич Ю.Я. Теория электронной эмиссии из металлов. Современные проблемы физики. М.: Наука. — 1973. — 255 с.

21. Сторм Э., Исраэль X. Сечение взаимодействия гамма-излучения. Справочник М.: Атомиздат. 1973. - 252 с.

22. Ефимов А.И; и др. Свойства неорганических соединений. Справочник. Л: Химия. - 1983. - 392 с.

23. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. -М.: Мир.-1989.-342 с.

24. Вавилов. B.C. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы. Сборник статей. М: Мир. - 1980. - 330 с.

25. Stephen M. Seltzer and Martin J. Berger. Procedure for calculating the radiation stopping power for electrons // Int. J. Appl. Radiat. Isot. V. 33. -1982.-P. 1219-1226.

26. Sowada U., Schmidt W. F., and Bakale G. The influence non-electronegative molecules on the mobility of excess electrons in liquefied rare gases and thetramethylsilane // V. 55. Can. J. Chem. - 1977 . - P. 1885-1889.

27. Minday R. M., Schmidt W. F. and-Davis H. T. Excess electrons in liquid hydrocarbons // J. ChemPhys. V.54.-1971. -P. 3112-3125.

28. Minday R.M., Schmidt L.D., Davis H.T. Free Electrons in Liquid Hexane // J. Chem.Phys. -V.50.-1969. -P.1473-1474.

29. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М.,. Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика: М.: Наука, - 1980. - 704 с:

30. Beloshitsky V.V., Kumakhov М.А., Khokonov A.Kh. Radiation energy loss of high energy electrons channeling in thick single crystals // Nucl. Inst. Meth. B. V.62. - 1991. — P.207-212.

31. Байер B.H., Катков B.M., Страховенко B.M. Электромагнитные процессы при высокой энергии в ориентированных монокристаллах. -Новосибирск: Наука. 1989. -399 с.

32. Giudice G.F., Rattazzi R. Living Dangerously with Low-Energy Supersimmetry // Cern-ph-th/2006-105. 2006. -36 p.

33. Bolozdynya AI., Bradley A. W., Brnsov P. P., Dahl С. E., Kwong J., Shutt T. Using a wavelength shifter to enhance the sensitivity of liquid xenon dark matter detectors //IEEE Trans. Nucl. Sci. V.55. -2008.-P.l453-1457.

34. Малышев Е.К., Засадыч Ю.Б., Стабровский С. А. // Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов. — М.: Энергоатомиздат. -1991. -160 с.

35. Гаврилюк Ю.М., Гангапшев A.M., Кузьминов В.В; и др. //Результаты эксперимента по поиску двойного ß распада 13бХе с помощью пропорциональных счетчиков высокого давления. Препринт / Институт ядерных исследований(Москва). № 1147/2005. -2005.- 16 с.

36. Gavrilyuk Yu. М;, Gangapshev A.M., Kuzminov V.V., Osetrova N.Ya., Panasenko S.I;,. Ratkevich S.S. Characteristics of a. Proportional Counter Filled with CF4 and. Additions of Xe // Instruments and Experimental' Techniques. -V.46.-№1.-2003 -P. 26-31.

37. Барабанов И.Р., Гаврин B.H. Двухкамерный,пропорциональный счетчик71,для регистрации распадов Ge. Академия наук СССР. ИЯИ. П 0318. Москва. - 1983.

38. Кузьминов В.В!;, Янц В.Э. Пропорциональный счетчик из кварцевого стекла для регистрации внешнего рентгеновского излучения // Приборы и техника эксперимента.- № 3. 1997. -С. 146 - 147.

39. Лосев Н.Ф., Смагунова А.Н. Основы рентгено-спектрального флуоресцентного анализа. Москва. Изд. Химия. — 1982. -206 с.

40. Гаганов Д.А. и др. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. JL: Машиностроение. - В. 11. - 1972 - С. 136-155.

41. Казалов В.В. Сравнительный анализ спектров фона пропорциональноготосчетчика при заполнении криптоном, обогащенным по Кг, и криптоном естественного состава // БМШ ЭТФ. 2008. - С. 146-152.

42. Суншев 3.A. Спектрометрические характеристики пропорционального счетчика СРПО // БМШ ЭТФ. 2006. - С. 109-118.

43. Камарзаев A.B. О ■ форме импульса в пропорциональных счетчиках // БМШ ЭТФ. -2006. С. 118-124.

44. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М.: Наука. — 1981. - 303 с.

45. Laffranchi М., Rubbia A. The ArDM project: a liquid argon TPC for dark matter detection // Hep-ph/0702080vl. 2007. - 4 p.

46. Vergados J. D. Searching for cold dark matter // Hep-ph/9504320vl. 1995. -23 p.

47. Suzuki Y. Low energy solar detection by using liquid Xenon, hep-ph/0008296. -2000. 16 p.

48. Барабаш A.C., Болоздыня А.И. Жидкостные ионизационные детекторы.- М. Энергоатомиздат. 1993. - 240 с.

49. Долгошеин Б.А., Лебеденко В.Н., Родионов Б.У. Некоторыеэлектронные методы регистрации треков частиц в жидкостях // Элементарные частицы и космические лучи. В.2. - 1973.- С. 86-91.

50. Долгошеин Б.А., Круглов А.А., Лебеденко В.Н., Мирошниченко В.П., Родионов Б.У. Электронный метод регистрации частиц в двухфазных системах жидкость-газ // Физика элементарных частиц и атомного ядра. -В.4.-1973. -С.167-186.

51. Гущин Е.М., Круглов А.А., Лицкевич В.В., Лебедев А.Н., Ободовский И.М., Сомов С.В. Эмиссия электронов из конденсированных благородных газов //ЖЭТФ-Т.76.-1979.-С. 1685-1689.

52. Bolozdynya A.I., Egorov V.V., Miroshnichenko V.P., Rodionov B.U. Emission detectors // IEEE Trans Nucl. Sci. -V.42. 1995. - P. 565-569.

53. Bolozdynya A. Two-phase emission detectors and their applications // Nucl. Instrum. Meth. A. -V.422.- 1999. -P. 314-320.

54. Рябов B.A., Царев B.A., Цховребов A.M. Поиски частиц темной материи // УФН. Т.178. - 2008. - С.1129-1164.

55. Angle J. et al. First Results from the XENONIO Dark Matter Experiment at the Gran Sasso National Laboratory // Phys. Rev. Lett. 100 . - 021303. - 2008.- 5 p.

56. Badertscher A. et.al. Construction and operation of a Double Phase LAr Large Electron Multiplier Time Projection Chamber // Zurich, ETH. arXiv: 0811.33 84. physics.ins-det.-2008.-7 p.

57. Houlrik J.M., Landau D.P., Knak Jensen S J. Krypton clusters adsorbed on graphite: A low-temperature commensurate- incommensurate transition // Phys. RewE.-V.50.-№3.-1994.-P. 2007-2017.

58. Khokonov A.Kh., Kokov Z.A., Karamurzov B.S. Inelastic diffraction of He atoms from Xe overlayer adsorbed on the graphite (0001) // Surface Science Letters.-V.496. -N. 1-2.-2002. P.13.

59. Хоконов A.X., Долов M.X., Коков З.А. Хамукова JI.А. Уравнение состояния криптона, адсорбированного на поверхности графита // Международная конференция «Уравнение состояния вещества». Эльбрус. -2008.-С. 48-49.

60. Хоконов А.Х., Долов М.Х., Кочесоков Г.Н., Хамукова Л.А. Уравнение состояния монослоя криптона на поверхности графита // Теплофизика высоких температур Т. 476. - № 5. - 2009. - С. 1-3.

61. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем. М: МГУ. - 1991. - 800 с.

62. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М: Мир. — 1987.-640 с.

63. Joos В., Bergensen В., Klein M.L. Ground state properties of xenon on graphite //PhysicalReveiwВ.-V.28.-N 12.- 1983. - P. 7219-7224.

64. Lauter H.J., Frank V.L.P., Taub H., Leiderer P. Lattice dynamics of commensurate monolayers adsorbed on graphite // Physica В.- V. 165-166. -1990. -P. 611-612.

65. Metropolis N., Rosenbluth A.W., Teller A.H., Teller E. Equation of State Calculations by Fast Computing Mashines // J. Chem. Phys. 21. 1958. -P. 1087-1092.

66. Биндер К. Методы Монте Карло в статистической физике. - М: Мир. -1982.-400 с.

67. Д. Хеерман. Методы компьютерного эксперимента в статистической физике. Перевод с англ. М.: Наука. - 1990.

68. Э. Хайрер, С. Нёрсетт. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. М: Мир. - 1990. - 512 с.