Измерение энергии частиц методом времени пролета

    В этом методе энергия частицы определяется по времени, которое она затрачивает на пролет определенного фиксированного расстояния. Для нерелятивистских частиц время пролета связано с кинетической энергией соотношением

,

(1)

где t_f - время пролета в наносекундах, d - пролетная база в метрах, A - массовое число частицы в атомных единицах массы, E - кинетическая энергия частицы в МэВ.
    Чаще всего методика времени пролета используется для измерения энергетических спектров нейтронов. Для нейтронов эта методика часто оказывается единственной, обеспечивающей требуемую точность измерений. Однако она применяется и с заряженными частицами для их идентификации.
    Для конкретности рассмотрим энергетическую спектрометрию нейтронов в области энергий от нескольких сотен кэВ до нескольких десятков МэВ, хотя большинство из нижеизложенного будет касаться также и заряженных частиц.
    Время пролета определяется моментом времени t₀, когда нейтрон проходит начало пролетной базы и моментом времени t₁, когда он достигает детектора (t_f = t₁ - t₀). Для фиксации момента t₁ используется сигнал детектора, для фиксации момента t₀  часто используют импульсные пучки с короткими сгустками. Длительность сгустков в циклотронах обычно несколько наносекунд, в изохронных циклотронах около наносекунды. Для ускорителей с непрерывными пучками применяются специальные устройства группировки частиц. Период повторения сгустков T₀ определяет нижнюю границу диапазона измеряемых энергий

Период повторения выбирают таким, чтобы исключить наложение сигналов от разных сгустков. В циклических ускорителях это можно сделать периодическим, кратным периоду ВЧ-генератора отклонением пучка.
    Энергетическое разрешение спектрометра практически полностью определяется временным разрешением

ΔE/E = 2t/t,  ΔE = 2.77.10-2E3/2Δt/d.

(3)

Временное разрешение в свою очередь определяется длительностью сгустков частиц и временными характеристиками детектора и регистрирующей аппаратуры. Для регистрации нейтронов во времяпролетных спектрометрах обычно используют пластиковые или жидкие сцинтилляторы, обладающие малыми временами высвечивания и временная неопределенность, связанная с фиксированием момента t₁ обычно составляет доли наносекунды.
    Пролетное расстояние обычно около метра, иногда несколько больше. Ограничение здесь накладывает снижение эффективности регистрации за счет уменьшения телесного угла, который уменьшается обратно пропорционально квадрату пролетной базы. При временном разрешении 1 нс, пролетной базе 1 м энергетическое разрешение для нейтронов с энергией 16 МэВ ~1.8 МэВ, а для нейтронов с энергией 4 МэВ - ~220 кэВ.
   Блок-схема нейтронного время пролетного спектрометра.
    Отметим еще один возможный способ получения сигнала временной отметки (таймирующего сигнала). Если измерения проводятся на нейтронном генераторе, в котором для генерации нейтронов используется реакция

d + t n + α,

то один из таймирующих сигналов можно получить, регистрируя α-частицу.

Рис. 1. Схема измерения времени пролета с использованием вторичных электронов для получения стартового сигнала.

    В экспериментах с заряженными частицами, использующих времяпролетную методику, наилучшее временное разрешение удается достичь, получая стартовый сигнал t₀ с помощью тонких фольг - источников вторичных электронов. Схема  одного из вариантов реализации этой идеи показана на рис. 1. На пути регистрируемых ионов устанавливается тонкая (несколько мкг/см²) углеродная пленка. Пленки такой толщины практически не влияют ни на энергию, ни на угловое распределение ионов. При прохождении иона через пленку, он выбивает из нее вторичные электроны с энергиями до 10 эВ. Количество вторичных электронов зависит от заряда иона и его энергии и в диапазоне нескольких МэВ на нуклон варьируется от единиц для Z = 2 до сотен для Z > 16. Эти электроны с помощью ускоряющей сетки приобретают энергию в несколько кэВ и отклоняются на 180^o поперечным магнитным полем с напряженностью ~70 Гс. Далее они регистрируются микроканальной пластиной. Изохронность траекторий электронов достигается оптимизацией пролетной базы электронов, величины магнитного поля и ускоряющего напряжения. С помощью такого стартового детектора и полупроводникового стопового детектора удается получить временное разрешение лучше 100 пс.

[Эксперимент]