К.А.Дергобузов

Детекторы ядерных излучений

Конспект лекции

Наши задачи: познакомить с основными видами детекторов ядерных излучений.

Содержание

Детекторы ядерных излучений - это приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. В основе регистрации лежат процессы взаимодействия излучений с веществом.

Все детекторы ядерных излучений можно разделить на три группы: счетчики частиц, следовые детекторы и детекторы, у которых под действием излучений изменяются какие-либо измеряемые свойства.

Основными характеристиками детектора являются – эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании её в детектор), временное разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мёртвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).

Импульсная ионизационная камера

 ионизационная камера
  Рис.1 Ионизационная камера
 

В простейшем случае ионизационная камера - это плоский конденсатор в объеме, наполненном газом (рис.1). При пролете заряженной частицы вдоль ее следа образуются положительные и отрицательные ионы. К пластинам конденсатора прикладывают напряжение (100 - -1000 В). В электрическом поле ионы устремляются к электродам, в цепи появляется ток, по которому и
 ионизационная камера
  Рис.2 Зависимость I(t)
 
происходит регистрация. Внутреннее сопротивление камеры очень велико и она является источником тока (ток во внешней цепи практически не зависит от сопротивления последней). Уравнение для напряжения U(t) на сопротивлении R (и, конечно, на емкости C, это емкость камеры) выглядит следующим образом:

U(t)

Зависимость тока в цепи от времени i(t) определяется расположением траектории частицы в камере. В простейшем случае, когда траектория параллельна пластинам камеры (как на рисунке), ток постоянен, пока ионы, образованные регистрируемой частицей, не достигнут электродов (рис.2). Решение уравнения (1) в этом случае

U(t)

где t0 время собирания носителей заряда. Форма импульса показана на рис.3 Обычно камеру наполняют инертным газом, в котором
 Форма импульса
  Рис.3 Форма импульса U(t)
 
при ионизации образуется положительный ион и электрон. Собирают электроны, которые обладают большой подвижностью и обеспечивают быстродействие камеры. Амплитуда импульса пропорциональна потери энергии заряженной частицы в объеме камеры ΔE

U<sub>макс</sub>

Здесь ω - работа образования одной пары ионов (~25 эВ для аргона). Нет проблем с усилением и регистрацией импульсов такой амплитуды. Энергетическое разрешение (точность определения значения энергии зарегистрированной частицы) определяется разбросом амплитуд, которое в свою очередь зависит от числа образованных пар ионов N, которое является случайным, возможны флуктуации числа N порядка √N

разброс амплитуд

и составляет примерно 1%. Импульсные ионизационные камеры используют для регистрации тяжелых заряженных частиц (протонов, α-частиц...), пробег которых невелик и может уложиться в объеме камеры.

Пропорциональный счетчик

Энергию электронов в ионизационной камере не измерить: энергия электрона должна быть мала, чтобы пробег укладывался в объеме камеры, но тогда амплитуда импульса составит микровольты. Применяют газовое усиление.

Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных
 Пропорциальный счетчик
  Рис.4 Пропорциональный счетчик
 
атомов рабочей среды детектора (для этого надо, чтобы на длине свободного пробега λ в электрическом поле напряженностью E электрон набирал энергию, бо́льшую энергии ионизации атома eEλ > Eион). Возникшие при этом новые электроны в свою очередь успевают приобрести энергию достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 103 - 104. В названии счетчика отражено то, что в этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера.

В пропорциональном счётчике обычно катодом служит цилиндр, а анодом - тонкая (10-100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра (см. рис.4). Распределение напряженности поля E по радиусу выглядит следующим образом:

То есть условия для ударной ионизации выполняются только в узкой области около анода. В остальной, бо́льшей части объема электроны просто дрейфуют к аноду. Этим достигается независимость амплитуды импульса от траектории пролета в счетчике. Газовый разряд несамостоятельный, т.е. такой, что гаснет при прекращении внешней ионизации.

Пропорциональные счетчики используются в основном для измерения излучения малых энергий (порядка десятков килоэлектронвольт). Пропорциональный счетчик может быть использован и для регистрации нейтронов при наполнении, например, газом BF. Нейтроны регистрируются по продуктам реакции n + B → Li + He (с выделением энергии 2.8 МэВ), эффективное сечение которой очень велико.

Счетчик Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера - самые распространенные детекторы ионизирующего излучения. Газовый разряд в них самостоятельный, т.е. такой, что, возникнув, будет существовать и без внешней ионизации, если не принять меры для его гашения. Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом (рис.4). К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией.

В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней частица производит первичную ионизацию, а затем и лавину электронов. С повышением напряжения (в счетчике Гейгера-Мюллера сотни вольт) критическая область расширяется. Возбужденные молекулы и ионы газа испускают фотоны, которые за счет фотоэффекта вырывают электроны из катода. Последние дают начало новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Электроны могут выбиваться из катода и положительными ионами в процессе нейтрализации, так как энергия ионизации атомов всегда больше работы выхода из металла катода. Возникает самостоятельный разряд, для гашения которого нужно принимать дополнительные меры. Например, добавление в трубку многоатомных газов (пары этилового спирта). Пары спирта интенсивно поглощают фотоны с энергиями, достаточными для вырывания фотоэлектронов. При этом молекула возбуждается и диссоциирует, не испуская электронов. Ионы аргона, сталкиваясь с молекулами спирта, нейтрализуются. Получившийся ион спирта на катоде разваливается, не вырывая электрон.
 Пропорциальный счетчик
  Рис.5 Счетная характеристика
 
Счетчики с многоатомными газами называют самогасящимися. В несамогасящихся счетчиках с целью гашения газового разряда в анодную цепь включается высокоомное сопротивление нагрузки (порядка I08 — 109 Ом). Импульс тока счетчика, вызванный движением ионов, создает на этом сопротивлении большое падение напряжения, поэтому напряжение на аноде счетчика значительно уменьшается и разряд прекращается.

В счетчиках Гейгера-Мюллера (с самостоятельным разрядом) амплитуда выходного импульса достигает десятков вольт и НЕ зависит от начальной ионизации. Такой прибор пригоден только для счета частиц. Разрешающее время у этих счетчиков довольно велико: 10-3 - 10-5 с.

Важной технической характеристикой счетчика Гейгера-Мюллера является счетная характеристика - зависимость числа отсчетов от приложенного напряжения (рис.5). Эта характеристика имеет вид кривой с очень широким почти горизонтальным участком, называемым плато. Счетчик тем лучше, чем шире плато и меньше его наклон.

Сцинтилляционный детектор

Сцинтилляции — латинское слово — это вспышки видимого света, вызываемые в веществе заряженными частицами. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором проведен опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра.

Не каждый прозрачный материал годится в качестве сцинтиллятора, он должен быть прозрачен для собственного излучения. К таким относятся NaJ(Tl), CsI, органические: антрацен (C14H10), стильбен(C14H12), нафталин(C10H8). Регистрируемая заряженная частица попадает в кристалл и
 Сцинтилляционный счетчик
  Рис.6 Схема сцинтилляционного счетчика: I — кристалл; II — фокусирующий электрод; III — фотоумножитель: 1 — фотокатод; 2 — 7 — эмиттеры; 8 — анод
 
тормозится в нем, возбуждая и ионизируя атомы. Последние, переходя в основное состояние, испускают фотоны. Все это за время порядка 10-7 с. В хороших кристаллах несколько процентов энергии частицы переходит в световую. Кристалл в детекторе окружают отражателем так, что свет выходит только с одной стороны.

Для регистрации слабых световых вспышек используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) (рис.6). Создают оптический контакт между сцинтиллятором и торцом ФЭУ. Фотоны световой вспышки за счет фотоэффекта (см. лекцию) выбивают электроны из фотокатода (1), выполненного в виде тончайшей пленки на внутренней стороне колбы ФЭУ. Эти электроны фокусирующим электрическим полем направляются на промежуточный электрод (2), называемый динодом. Поверхность
 Эквивалентная схема
  Рис.7 Эквивалентная схема
 
динода покрыта материалом с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый падающий электрон выбивает от 3 до 5 вторичных электронов. Всего динодов в ФЭУ более 10, что позволяет усиливать поток электронов в 105 и более раз. На аноде ФЭУ (8) возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Замечательной особенностью ФЭУ является хорошо соблюдаемая линейность усиления. Эквивалентная схема сцинтилляционного детектора изображена на рис.7. Уравнение, описывающее форму сигнала, приведено выше (см. формулу (1)). Зависимость тока от времени в этом уравнении определяется динамикой высвечивания сцинтиллятора и выглядит так

где τ - время высвечивания сцинтиллятора. Для неорганических сцинтилляторов это время порядка 10-7 с, для органических - 10-8 с, для пластических доходит до 10-9 с. Амплитуда импульса при потере в сцинтилляторе энергии ΔE примерно равна

где η - световой выход сцинтиллятора (доля энергии, высвечиваемой в виде световой, для антрацена 0.05), ε - квантовый выход фотокатода ФЭУ (среднее число фотоэлектронов, выбиваемых на 1 фотон, величина порядка 0.1), K - коэффициент усиления ФЭУ (105 и более), - средняя энергия фотонов, образуемых в сцинтилляторе, C - емкость анода ФЭУ относительно земли (величина порядка 20 пФ), e - заряд электрона. Если взять типовые значения для перечисленных величин и энергию частицы, потерянной в детекторе, 5 МэВ, то амплитуда
 Cs
  Рис.8 Типичная форма спектра Cs-137
 
получится порядка 10 вольт.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔE/E обычно не лучше нескольких процентов, так как на образование одного фотоэлектрона требуется энергия hν/(η·ε), равная примерно 500 эВ (сравните с 30 эВ для ионизационной камеры).

Открытие протона в лаборатории Резерфорда (1919г.) произошло путем наблюдения сцинтилляций, вызванных частицами в ядерной реакции α + 14N → p + 17O. С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ-лучей (на рис.8 форма спектра для моноэнергетических γ-квантов). Они применяются для измерения мощности дозы β- и γ-излучений, а также нейтронов. Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность.

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом (известен детектор с кристаллом NaJ(Tl) диаметром 0.75 м и длиной 1.5 м, просматриваемый большим числом ФЭУ). В знаменитом опыте Райнеса и Коэна по открытию нейтрино (1956) использовались три жидкостных сцинтиллятора объемом 1400 литров каждый.

Полупроводниковый детектор (ППД)

 Эквивалентная схема
  Рис.9 Эквивалентная схема
 

Полупроводниковый детектор работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и германия. В кристалле за счет наличия областей с n- и p-проводимостями создается область, обедненная носителями (в ней электроны и дырки рекомбинируют). p-слой подсоединяется к отрицательному электроду, n-слой к положительному. Все носители оттягиваются от переходного слоя, диод заперт. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Заметим, что в действительности, положительно заряженные дырки не могут двигаться в кристаллическом твердом теле. На самом деле происходит следующее: дырки заполняются соседними электронами, которые движутся в противоположном направлении, оставляя позади новые дырки. Таким образом, кажется, что перемещаются дырки.

Энергия, затрачиваемая на образование пары электрон-дырка в полупроводниковом детекторе, меньше энергии образования пары электрон-ион в газах примерно в 10 раз. Следовательно, при полном торможении одной и той же частицы в импульсной камере и полупроводниковом детекторе амплитуда импульса в последнем примерно в 10 раз больше.
 Спектр Ba
  Рис.10 Спектр γ-излучения, полученный на a) сцинтилляционном детекторе и b) полупроводниковом
 

Подвижность электронов и дырок, а, значит, время собирания их на электродах детектора отличаются не более чем в 3 раза. Это позволяет осуществить полное собирание, как электронов, так и дырок. Время собирания электронов и дырок в ППД составляет 20-100 нс и значительно меньше времени собирания ионов в ИК. Поэтому ППД обладают хорошим быстродействием или малым разрешающим временем.

Благодаря малой энергии образования пары электрон-дырка ППД обладают очень хорошим энергетическим разрешением, для германиевых детекторов порядка 0.1%. На рис.10 результат измерения спектра γ-излучения 133Ba сцинтилляционным детектором и полупроводниковым.
 Спектр Ba
  Рис.11 Устройство кремниевого микрострипового детектора
 

Для точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии ~20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем (рис.11). В зависимости от места попадания заряженной частицы сигнал снимается с разных стрипов. Пространственное разрешение микростриповых детекторов достигает 10 мкм. Временное разрешение – 10-8 с.

Недостатком ППД является малый размер чувствительной области, это не позволяет применить их для измерения частиц высоких энергий.

 

Характерные свойства счетчиков излучений можно свести в таблицу.
Характеристики счетчиков
  Эффективность, % Энергетическое
разрешение, %
Разрешающее
время
Импульсная ионизационная камера < 10 1÷3 10-5
Пропорциональный счетчик < 10 ~ 1 10-6
Счетчик Гейгера ~ 5 10-4
Сцинтилляционный детектор ~ 100 5÷10 10-9
Полупроводниковый детектор ~ 100
10 для γ-излучения
0.1 10-8

Следовые детекторы

В следовых детекторах фиксируется трек, оставляемый региструемой частицей в рабочем веществе. По геометрии треков устанавливается число заряженных частиц, участвовавших в реакции, и направления их движения. Толщина следа определяется потерями энергии частицы на единице пути, которые зависят от заряда и скорости частицы. Если трек умещается в рабочем объеме детектора, то по длине следа определяют пробег частицы, зависящий от энергии частицы, ее заряда и массы. Среднеквадратичный угол рассеяния зависит от заряда, скорости и импульса частицы. И, наконец, если детектор помещен в магнитное поле, по радиусу кривизны следа определяют отношение импульса к заряду частицы. Богатая информация о свойствах частицы позволяет определить не только характеристики, но и тип зарегистрированной частицы.

Существуют несколько типов следовых детекторов:

Ядерные фотоэмульсии

В фотографической эмульсии заряженные частицы оставляют видимые следы, которые после проявления можно детально изучать. Значительная плотность эмульсии (около 3.8 г/см3) позволяет остановить в ней частицы довольно высокой энергии. Вследствие малых размеров проявленных зерен фотоматериала (~0.6 мкм) эмульсия позволяет получить отличное угловое и пространственное разрешение.

История использования фотоэмульсий для регистрации ядерных частиц началась с наблюдения Беккерелем в 1896 году почернения фотопластинок в присутствии урановых соединений, приведшего к открытию явления радиоактивности (см. лекцию). Ядерные эмульсии отличаются от обычных большой толщиной чувствительного слоя - до нескольких сотен микрон. Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующем проявлении в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до ~1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

С 1945 по 1955 методом ядерных фотоэмульсий были сделаны важные открытия: зарегистрированы π-мезоны и последовательности распадов протонов и мюонов, а также обнаружены ядерные взаимодействия антипротонов и К--мезонов. Методом ядерных фотоэмульсий был исследован состав первичного космического излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe.

Сложность использования ядерных фотоэмульсий связана с их сложным составом (неопределенностью ядра-мишени). К настоящему времени ядерные фотоэмульсии вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц.

Камера Вильсона

В камере Вильсона след частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. В 1927г. Ч. Вильсону присуждена Нобелевская премия:

Вильсон  
  1927

CHARLES WILSON for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour

 Спектр Ba
  Рис.12 Вид одной из первых камер Вильсона
 

В основе действия камеры лежит свойство конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей вдоль ее трека. Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Для этого в камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться.

С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон. В 1934 году Л. В. Мысовский с М. С. Эйгенсоном проводили эксперименты, в которых при помощи камеры Вильсона было доказано присутствие нейтронов в составе космических лучей. Основной недостаток камеры Вильсона - малая плотность рабочего вещества, в объеме камеры укладывается пробеги только тяжелых заряженных частиц с энергией несколько МэВ. В настоящее время для регистрации частиц она не используется.

Пузырьковая камера

В 1952 году А. Глэзер изобрел пузырьковую камеру - прибор, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. (Нобелевская премия 1960 г.).

Глэзер  
  1960

DONALD GLASER for the invention of the bubble chamber.

В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Это как камера Вильсона «наоборот» (вместо капелек жидкости в пересыщенном паре пузырьки пара в перегретой жидкости). Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины (иначе произойдет закипание жидкости во всем объеме), пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл занимает примерно 1 с.
 Мирабель
  Рис.13 Камера "Мирабель" в Протвино
 

Первая камера имела объем ~5 см3, современные - м3. В качестве рабочей среды в камерах используются жидкости: жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси. Жидкость одновременно и мишень для пролетающих частиц и среда детектирования. Камеры помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер ~ 0.1 мм.

Современные камеры - это солидные сооружения (см. рис.13): водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий РАН имеет объём 10 м3, весит примерно 2000 т, охлаждается жидким гелием. Камера освещается, и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов).

Пузырьковая камера неуправляема - ее нельзя включить внешними счетчиками, зарегистрировавшими факт пролета частицы. Причина - слишком быстрое (10-7 с) рассасывание зародышей пузырьков в невключенной камере. Поэтому камеры используют только на ускорителях, включают так, чтобы импульс частиц ускорителя приходился на время чувствительности камеры. И, к сожалению, большинство снимков не представляет интереса. Обработка снимков проходит в два этапа: сначала отбирают снимки с интересующими событиями, а затем проводят измерение координат точек на следах отобранных событий с помощью микроскопов, полуавтоматических или автоматических измерительных устройств. По специальным программам на ЭВМ вычисляются геометрические характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.

С помощью пузырьковых камер сделан ряд открытий в физике высоких энергий: были открыты антисигма-минус-гиперон (1960, Дубна), омега-минус-гиперон (1964, США), нейтральные токи (1973, ЦЕРН) и другие. Обнаружены и изучены многочисленные частицы - резонансы и т. д.

Искровая камера

К управляемым следовым детекторам высокоэнергетичных частиц относится искровая камера. В ней трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.
 Искровая камера
  Рис.14 Искровая камера
 
Искровая камера (рис. 14) обычно представляет собой систему параллельных металлических электродов площадью до 1 м2, пространство между которыми заполнено инертным газом. Внешние управляющие счётчики фиксируют факт попадания заряженной частицы в искровую камеру и инициируют подачу на её электроды короткого (10 – 100 нс) высоковольтного импульса так, что между двумя соседними электродами появляется разность потенциалов ~10 кВ. В местах прохождения заряженной частицы между пластинами за счёт ионизации ею атомов
 Распад пиона
  Рис.15 Распад пиона в стримерной камере
 
среды возникают свободные носители зарядов (электроны, ионы). Электроны ускорятся полем, ионизируют и возбуждают атомы газа (ударная ионизация). В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, которые в зависимости от амплитуды и длительности импульса перерастают в видимый глазом искровой разряд или создают в газе локально светящиеся области небольшого объема (стримеры). Отдельные искровые разряды, направлены вдоль электрического поля (перпендикулярно электродам). Совокупность этих последовательных разрядов формирует трек частицы. Этот трек может быть зафиксирован либо оптическими методами (например, сфотографирован), либо электронными. Сигналы подаются на вход ЭВМ, запрограммированной на отбор нужных событий с последующим расчетом необходимых характеристик исследуемых реакций.

Электроды искровой камеры могут состоять из проволочек. Искровой разряд идет на отдельные проволочки, что облегчает электронный съем информации. Пространственное разрешение обычной искровой камеры ~0.3 мм. Частота срабатывания 10 – 100 Гц.

Разновидностью искровой камеры является стримерная камера, изобретенная в Советском Союзе (1963г.). В ней расстояние между электродами составляет несколько десятков сантиметров, а длительность высоковольтного импульса ~20 нс. За это время успевают развиться только зародыши искры - стримеры. След частицы обозначается слабо светящимися треками. Стримерные камеры часто используют совместно с магнитным полем (рис.15). В них хорошо воспроизводятся треки в любых направлениях.

Многопроволочная пропорциональная камера
 Спектр Ba
  Рис.16 Устройство многопроволочной пропорциональной камеры (показан 1 ряд)
 

Многопроволочная пропорциональная камера (МПК) представляет собой систему многих тонких (~10 мкм) параллельных проволочек, расположенных в одной плоскости и являющихся анодами, которые находятся в газовом объёме между двумя плоскими параллельными друг другу и аноду катодами (сплошными или проволочными) (рис.16). В типичном случае анодные проволочки удалены друг от друга на 2 мм и от катодов на расстоянии 8 мм. Разность потенциалов между анодом и катодом несколько кВ. Такие параметры МПК обеспечивают газовое усиление 104-105 и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объёме газа. Таким образом, многопроволочная камера это, по существу, система большого числа пропорциональных счётчиков.

Для того чтобы получить трёхмерные координаты частицы в большом объёме, используются системы из десятков МПК площадью до 10 м2, располагающихся параллельно одна за другой, с общим числом проволочек несколько десятков тысяч, причём проволочки двух соседних МПК натянуты взаимно перпендикулярно. Пространственное разрешение МПК составляет 0.05-0.3 мм. МПК применяют главным образом в исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких энергий. Изобретатель МПК Г. Шарпак отмечен Нобелевской премией 1992 года.

Шарпак  
  1992

GEORGES CHARPAK for his invention and development of particle detectors, in particular the multiwire proportional chamber.

Счетчик Черенкова

 Пороговый счетчик Черенкова
  Рис.17 Пороговый счетчик Черенкова
 
 Пороговый счетчик Черенкова
  Рис.18 Зависимость скорости счета частиц в пучке с импульсом 35 ГэВ/с от давления аргона в пороговом черенковском счетчике. Стрелками показаны пороги.
 

Природа и свойства излучения Вавилова-Черенкова описаны в лекции "Взаимодействие излучений с веществом". В счетчиках используется пороговый и направленный характер этого излучения. Здесь напомним, что излучение Вавилова-Черенкова возникает при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью v большей скорости света в этой среде, т.е. при v > c/n, где с – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления среды. Волновой фронт этого излучения представляет собой поверхность конуса, вершиной которого является частица, а осью – её траектория. Угол раствора конуса θ фиксирован и определяется скоростью частицы и свойствами среды: cos(θ)=c/(v·n).

Энергия частицы, преобразуемая в черенковское излучение, мала по сравнению с энергией, которую она тратит на ионизацию и возбуждение атомов среды. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от нескольких единиц до нескольких сот. Черенковский счетчик состоит из прозрачного радиатора, оптической системы, обеспечивающей "сбор и доставку" черенковских фотонов к ФЭУ и самих ФЭУ. Длительность сигнала черенковского счетчика ~10-9 сек.

В черенковских детекторах используются твердые, жидкие и газообразные радиаторы. Счетчики могут быть пороговыми и дифференциальными. В первых (см. рис.17) используется пороговый характер излучения: оно возможно только, если скорость частицы больше v > c/n (так как cos(θ) ≤ 1 ). Меняя давление в газовом радиаторе (а, значит, и показатель преломления) можно провести селекцию частиц по типу (см рис.18). При малом давлении порог превышен только для наиболее легких частиц - π-мезонов. С увеличением давления газа показатель преломления растет, и будут регистрироваться более тяжелые частицы (до попадания в счетчик с помощью магнитного поля отобраны частицы с определенным импульсом и, следовательно, с разными скоростями).

Дифференциальные черенковские счетчики регистрируют частицы в определенном интервале скоростей (пример на рис.19). На ФЭУ попадает только излучение, испущенное под углом θ. Таким образом удается выделить частицы в узком интервале скоростей.

 счетчик Черенкова
  Рис.19 Дифференциальный счетчик Черенкова, настроенный на регистрацию излучения, испускаемого под углом θ.
 

Другие детекторы
 Ионизационный калориметр
  Рис.20 Ионизационный калориметр
 

Существуют и другие детекторы, некоторые из них представляют комбинацию перечисленных выше.

Например, ионизационный калориметр, изобретенный для регистрации космических лучей. Принцип действия прибора достаточно прост. Калориметр состоит из мишени, внутри которой не только поглощается вся энергия первичной частицы, но и все вторичные частицы (рис.20). По сути, мишень – это “мини-атмосфера” для первичной частицы, которая генерирует каскад вторичных частиц. Мишень – многослойная. В зазорах между веществом мишени устанавливаются детекторы различного типа, которые регистрируют вторичные частицы. Обрабатывая сигналы с различных слоёв установки, восстанавливается весь ливень вторичных частиц и, тем самым, параметры первичной частицы.

В дозиметрии используется свойство излучений вызывать, например, окрашивание некоторых материалов. По степени окрашивания судят о дозе излучения.

 

Если возникли вопросы, напишите.