Детекторы ионизирующих излучений

Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (a-, b-, g-) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Приборы и устройства для регистрации и измерения характеристик ионизирующих излучений называются детекторами.

Различают электронные детекторы, вырабатывающие электрический импульс, когда в объем детектора попадает частица или квант излучения, и трековые детекторы, позволяющие не только зарегистрировать факт и момент прохождения частицы, но и воспроизвести ее траекторию - трек.

Важнейшие характеристики детекторов:

1) эффективность - вероятность регистрации частицы при ее попадании в объем прибора;

2) пространственное разрешение Dr - точность, с которой детектор способен зарегистрировать положение частицы в пространстве;

3) временное разрешение Dt - минимальный интервал времени между прохождением через детектор двух частиц, когда они регистрируются порознь, т.е. сигналы детектора не налагаются друг на друга;

4) время восстановления t_в («мертвое время») - время, за которое детектор, зарегистрировавший одну частицу, успевает вернуться в исходное состояние (быть готовым для регистрации следующий). Частицы, прошедшие через прибор за это время, не регистрируются.

10.5.1. Электронные детекторы

К этому типу относятся ионизационные, сцинтилляционные, полупроводниковые детекторы и черенковские счетчики.

Ионизационные детекторы составляют наиболее обширную группу электронных детекторов. Их действие основано на ионизации атомов и молекул газа (см.п. 2.4.1). Если частица не имеет электрического заряда (нейтрон, g - квант), то ионизацию могут вызвать вторичные заряженные частицы (протоны, электроны, позитроны).

1.

Рис.2.5

Ионизационные камеры имеют высокую эффективность, позволяют оценивать энергию частиц. Их до сих пор применяют, в частности в дозиметрии (см.п.2.6). Однако, их временное разрешение невелико и амплитуда электрического сигнала мала, что приводит к необходимости усиления сигнала, делает аппаратуру чувствительной к помехам и шумам.

2. Газоразрядный счетчик. В этом детекторе в значительной степени устранены недостатки ионизационной камеры. Конструктивно он похож на нее: газонаполненный металлический цилиндр (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по оси цилиндра (рис. 2.6). Здесь основную роль играет вторичная ионизация (ионизация посредством выбитых электронов, разогнавшихся в электрическом поле счетчика), в результате чего на анод приходит электронная лавина, и сигнал уже не требует усиления. При не слишком высоких напряжениях ток пропорционален первичной ионизации, т.е. энергии влетевшей в счетчик частицы. Такие счетчики называют пропорциональными, они позволяют оценить энергию частиц.

Если увеличить напряжение на электродах счетчика, то, начиная с некоторого U, импульсы тока уже не будут зависеть от энергии частиц, но будут расти с ростом напряжения. Такой детектор называется счетчиком Гейгера-Мюллера.

Рис. 2.6. Газоразрядные счетчики b - частиц,

g - фотонов (а) и a - частиц (б)

Вторичная ионизация, возникающая в счетчике Гейгера-Мюллера, приводит к пробою газа, происходит разряд. Для регистрации отдельных частиц, возникающий разряд надо гасить. С этой целью счетчик включает в специальную схему. Прошедший импульс тока после усиления регистрируется пересчетным устройством. Временное разрешение для газоразрядных счетчиков составляет Dt ~ (10^-3 ¸ 10^-7)с. Эффективность регистрации заряженных частиц ~ 100%. Счетчики Гейгера-Мюллера дешевы, конструктивно хорошо разработаны, просты в эксплуатации, безотказны, поэтому широко используются для прикладных целей.

3. Сцинтилляционный (люминесцентный) счетчик. Принцип его действия основан на том, что в ряде веществ проходящие ядерные частицы вызывают люминесцентные вспышки видимого света - сцинтилляции. Для регистрации вспышек (t ~ 2_*10^-7 с) используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. В качестве рабочего вещества в люминесцентных счетчика используют кристаллы неорганических (ZnS, CsI-Tl, NaI-Tl) или органических (антрацен, пластмассы) веществ, иногда - жидкие вещества. Именно с помощью жидкого сцинтиллятора объемом 5000 литров в 1956 году Рейнесу и Коуэну удалось впервые зарегистрировать электронное антинейтрино .

Преимущества данных счетчиков следующие: высокая эффективность регистрации (~ 100% для заряженных частиц и 30% для g- квантов); очень мало «мертвое время» t_в ~ (10^-7 ¸ 10^-9 с); возможность измерения энергии частиц и скорости.

4. Черенковский счетчик. Это своеобразная разновидность люминесцентного счетчика. Принцип действия основан на эффекте Вавилова - Черенкова: заряженная частица, движущаяся в среде со скоростью v>c/n (n - показатель преломления), испускает узконаправлен-ное электромагнитное излучение. Это излучение регистрируется с помощью ФЭУ.

Основное назначение черенковских счетчиков - измерение энергии частиц и разделение их по массам при энергиях порядка десятков ГэВ. Счетчики устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.

5. Полупроводниковый счетчик. Его основным элементом является полупроводниковый диод (величиной с небольшую монету), на который подается запирающее напряжение. Средняя энергия ионизации в полупроводнике на порядок меньше, чем в газе, поэтому возникающие импульсы тока на порядок выше. Разрешающее время ~10^{- 7} с. В области низких энергий частиц (2 ¸ 20 МэВ) обладают эффективностью ~ 100%.

10.5.2. Трековые детекторы

К этому типу относятся камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии.

1. Камера Вильсона. Рабочим веществом является переохлажден-ный, т.е. находящийся в неустойчивом агрегатном состоянии, пар (вода, спирт). Регистрируемая заряженная частица конденсирует пар на своем пути, оставляя след (трек) из тумана, хорошо видимый и легко фотографируемый. По характеру трека можно определить сорт регистрируемых частиц (a- частица оставляет сплошной толстый след (до 1 мм), b- частица - тонкий), плотность ионизации (по количеству капель на единицу длины трека), знак заряда и импульс частицы (если поместить камеру в сильное магнитное поле) и т.д. Недостаток камеры Вильсона - малое рабочее время, составляющее лишь 1% от времени, затрачиваемого на подготовку ее к работе (насыщение паров, выравнивание температуры и давления и др.) и трудоемкость обработки результатов. К преимуществам относятся ее относительная простота и дешевизна.

Разновидностью камеры Вильсона является диффузионная камера, которая имеет больший эффективный объем и может работать непрерывно. В ней рабочим веществом тоже является пересыщенный пар, но состояние пересыщения достигается путем диффузии паров спирта от нагретой до 10 °С крышки ко дну, охлажденному до -60 °С.

2. Пузырьковая камера Глэзера. Рабочим веществом является перегретая выше точки кипения жидкость: жидкий водород, пропан, ксенон. Вдоль трека заряженной частицы образуются пузырьки пара. Запускается камера так же резким сбросом давления до P<P_насыщ. Прибор применяют для исследования частиц очень высоких энергий.

3. Толстослойные фотоэмульсии - самый дешевый и простой трековый детектор заряженных частиц. Фотоэмульсии для регистрации ядерных частиц отличаются от обычных более высокой чувствительностью и большей толщиной (сотни микрон вместо обычных 10 мкм). Их ставят на пути исследуемых частиц, после чего проявляют.

В настоящее время большое значение приобрели сравнительно новые детекторы - искровые камера, в которых объединены преимущества и электронных и трековых детекторов (быстрота регистрации и полнота информации). По сути - это набор близко расположенных мелких счетчиков. С помощью искровой камеры в 1962 году было установлено отличие электронного нейтрино от мюонного (см.§5,21).