Физические основы работы ядерных детекторов

Постановка задачи. Методы регистрации заряженных ядерных частиц основаны на регистрации или измерении большого числа ионизированных ими атомов или молекул. Нейтральные частицы могут ионизовать лишь небольшое число частиц, передав им свою энергию. Возникшие при этом заряженные частицы регистрируются по их ионизирующей способности.

Потери регистрируемой частицей энергии на ионизацию практически не зависят от ее скорости и определяются в основном свойствами среды. Для создания одной пары ионов в воздухе требуется 32 эв для электронов (с энергией ~ 0,3 Мэв), 36,0 эв для протонов с энергией 2,5¸7,5 Мэв; 36,1 и 36,5 для a-частиц с энергией 7,8 и 5,3 Мэв соответственно. В более тяжелых газах энергия ионизации уменьшается, например, в криптоне для a-частиц с энергией 5,3 Мэв I ₀=21,4 эв. Поэтому по числу возникших пар ионов можно судить об энергии и виде частицы. Электроны, освобожденные летящей частицей, называются первичными электронами, они обладают достаточной энергией для вторичной ионизации. Приведенные выше численные характеристики относятся к полной (усредненной) ионизации. Различие в методах регистрации ядерных частиц основано на различии принципов регистрации возникающих ионов и электронов.

Ионизационная камера. Возникшие в результате прохождения ядерной частицы ионы будут диффундировать.

Для регистрации их в ионизационной камере накладывается электрическое поле малой величины такой, чтобы набираемая ионами или электронами энергия на длине свободного пробега была меньше той, которая необходима для вторичной ионизации атомов или молекул газа, занимающего камеру. Ионизационные камеры могут быть цилиндрической формы (рис. 1), плоскими. Между внешним электродом и собирающим прикладывается некоторая разность потенциалов от батареи.

Рис.1

Если в камере образовались ионы, то в цепи потечет ток, который создает напряжение на сопротивлении. Это напряжение обычно подается на вход усилителя. Величина тока, текущего через сопротивление, зависит от разности потенциалов между электродами (рис. 3).

Начиная с некоторого U, ток достигнет насыщения,

когда все возникающие ионы регистрируются, их рекомбинация прекращается. Выбором конструкции камеры можно приспособить ее для регистрации частиц определенного сорта. Токи, возникающие в ионизационных камерах, обычно составляют величину порядка 10^-13 а. Величина его пропорциональна энергии частиц. Напряжение на камере состав­ляет 200—300 в.

Рис. 2

Счетчики Гейгера-Мюллера. Конструктивно счетчики Гейгера-Мюллера (рис.2) напоминают ионизационную камеру, но работают в таком режиме, что в них непосредственно происходит усиление ионизационного тока. Если увеличивать напряжение между электродами, то возникшие ионы будут ускоряться. Благодаря большому полю, они могут набрать большую энергию прежде, чем столкнутся с молекулами газа в счетчике.

Рис.3

Но в таком случае они приводят к образованию иона молекулы. Ускоряясь, эти два иона приведут к образованию четырех ионов и т. д., в газе развивается лавинная ионизация. Коэффициент газового усиления может достигать 10⁸, его значение зависит от разности потенциалов между анодом и катодом. На (рис.3) приведена в относительных единицах вольтамперная характеристика счетчика.

От 0 до V_р счетчик работает как ионизационная камера. Величина области насыщения зависит от типа частиц. С ростом напряжения ток начинает расти пропорционально напряжению (область пропорциональности)/

Импульсы от разных частиц разные. Коэффициент усиления не зависит от числа первично возникших частиц. Поэтому импульсы напряжения (или тока), снимаемые со счетчика, будут пропорциональны числу первоначально возникших пар. Усиление может достигать при этом»10⁷.

Начиная от , коэффициент усиления будет зависеть от числа первоначально возникших пар ионов. Усиление будет тем меньше, чем большей ионизацией обладает частица. Поэтому, начиная с V_g способность различать первичные частицы теряется - импульсы от различных частиц одинаковы.

Начиная с V_n, в счетчике возникает непрерывный разряд, вследствие чего он теряет способность реагировать на новые частицы.

В момент лавинной ионизации счетчик также не может реагировать на новые частицы, поэтому возникший разряд должен быть погашен.

Это достигается различным образом. Счетчики Гейгера-Мюллера обычно работают в той области вольтамперной характеристики, в которой число импульсов почти не зависит от разности потенциалов между анодом и катодом (область «плато», которая может иметь ширину ~100 в при 1000 в напряжения с наклоном в несколько процентов).

Механизм работы несамогасящегося счетчика отличается от механизма работы самогасящегося счетчика.

Возникшие первичные ионы и электроны, ускоренные полем счетчика, приводят к вторичной ионизации и возбуждению атомов и молекул. Излучаемые ими фотоны приводят к фотоионизации других атомов или молекул и т.д. Разряд возникает во всем объеме счетчика. Положительные ионы, двигаясь к отрицательному центральному электроду, экранируют внешнее поле, способствуя затуханию лавинного разряда. Однако для его прекращения необходимо резко понизить напряжение на счетчике, что достигается различными электронными схемами. Простейший способ состоит в том, что в цепь отрицательного электрода включается большое сопротивление (»10⁸ ом). Импульс тока приводит к импульсу напряжения на нем, который резко уменьшает поле между электродами, вследствие чего разряд гасится и счетчик готов к регистрации следующей частицы.

Самогасящиеся счетчики содержат, как правило, смесь благородного газа с многоатомными газами, например, смесь аргона с 10% этилового спирта при давлении»10 см рт.ст. Механизм его работы состоит в сле-дующем. Первичные ионы, ускоряясь, ионизуют и возбуждают атомы Аr и молекулы спирта. Фотоны, испускаемые Ar, имеющие не менее 11,5 эв, интенсивно поглощаются парами спирта. Это приводит к возникновению разряда в объеме газа в основном вблизи центрального отрицательного электрода. Образовавшийся чехол положительных ионов резко ослабляет поле в той области, где оно было максимально. В результате взаимодействия аргона со спиртом вся энергия переходит к молекулам спирта, частично диссоциировавшим, имеющим энергию»4 эв. Их приход на катод дает импульс тока, но они не вызывают выбивания электронов из катода (4 эв). Разряд гаснет.

Время, необходимое для восстановления порогового значения поля, носит название «мертвого» времени, так как счетчик не реагирует на пролетающие частицы. Оно составляет»100 m сек и определяется временем, в течение которого положительные ионы достигают катода. После прохождения мертвого времени счетчик фиксирует частицы, но импульсы тока малы. Время, по истечении которого импульсы тока достигают первоначального значения, называют восстановительным временем. Оно определяется временем полной деионизации газа и составляет»100 m сек.

Эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера. Эффективность счетчиков h определяется отношением числа зарегистрированных импульсов к числу первичных частиц, пересекающих его рабочий объем при не слишком большой загрузке (чтобы исключить мертвое время). Она равна

,

где N ₀ - среднее число пар ионов, создаваемых частицей в счетчике. Уже при N ₀=5, h =99% и даже при N = 1 h =63%.

Попадание тяжелых частиц, обладающих большой ионизационной способностью (a-частиц, протонов), в объем счетчика приведет к их регистрации. Для регистрации g-квантов, имеющих большой пробег в газах, используется их поглощение в стенках. Образованные ими фото- или комптон-электроны имеют эффективность, близкую к единице, так как они приводят к образованию ~4 пар ионов на 1 см пути в смеси при давлении ~100 см рт.ст. Эффективность счетчиков для g-лучей с энергией в 1-3 Мэв со стенками из свинца составляет 1-2%.

Кристаллические счетчики. Кристаллические счетчики представляют собой полупроводниковые материалы, используемые для регистрации частиц большой энергии. Если к полупроводниковому кристаллу с большой шириной запрещенной зоны подвести разность потенциалов, то в цепи тока не будет вследствие большого сопротивления такого полупроводника. Но если в полупроводник попадает частица большой энергии, то возникает большое число свободных носителей в зоне проводимости, и через счетчик протечет импульс тока, который создает импульс напряжения на внешнем сопротивлении. Величина импульса тока пропорциональна числу первично созданных электронов. Длительность импульса определяется временем собирания электронов и составляет величину»10^-7 сек.

Кристаллические счетчики обладают высокой эффективностью для у-g-квантов. В алмазе толщиной 2 мм возникает»4,5×10^-2 комптоновских электронов на 1 g-квант с энергией 1 Мэв. В хлористом серебре возникает 6×10^-2 комптон-электронов на квант.

Для кристаллических счетчиков используются кристаллы хлористого серебра, галлоиды таллия, сульфиды цинка и кадмия, алмаз. Кристаллы CdS используются для регистрации рентгеновых лучей, германиевые приборы с p - n -переходом используются для обнаружения отдельных a-частиц. Для создания свободных носителей тока затрачивается энергия 4-10 эв.

Сцинтилляционные счетчики. Идея метода состоит в том, что при прохождении ионизирующих частиц через некоторые вещества в них возбуждается флуоресценция. Вспышки света регистрируются визуально или с помощью фотоумножителя. Для этого сцинтеллирующий кристалл помещается перед входным окном фотоумножителя.

При прохождении одной ионизирующей частицы через антрацен создается около 6000 фотонов на 1 Мэв потерянной энергии. Пропорциональность между потерянной энергией и величиной сцинтилляционного импульса наблюдается для электронов и протонов, несколько хуже для a-частиц. Сцинтилляционные счетчики обладают большой разрешающей способностью во времени, так как время высвечивания составляет в используемых веществах»10^-8 сек. Эффективность органических сцинтилляционных счетчиков размером в 1 см

для g-квантов составляет около 10%, что во много раз больше эффективности обычного счетчика Гейгера-Мюллера. Для тяжелых неорганических веществ эффективность для g-квантов возрастает до 100%. Простота конструкции, большая эффективность для g-квантов, большое разрешение во времени, пропорциональность светового импульса обусловливают все растущее использование их для обнаружения частиц и измерения их характеристик. Для счетчиков используются йодистый натрий, нафталин, антрацен, стильбен и другие твердые и жидкие вещества.

Камера Вильсона. Камера Вильсона позволяет сделать путь частиц видимым. Принцип работы камеры состоит в следующем. Для конденсации пересыщенного пара необходимо наличие центров конденсации. Ими являются пылинки, скопления молекул (флуктуации плотности), положительные и отрицательные ионы. Следовательно, если через пересыщенный пар пропустить частицу большой энергии, на ионах, образовавшихся на ее пути, будет конденсироваться пар, образуются капельки, которые сделают путь частицы видимым. Для получения пересыщенного пара производят адиабатическое увеличение объема камеры, наполненного насыщенным паром, что приводит к понижению температуры газа и пара, и переходу насыщенного пара в пересыщенный. С этой целью используются пары воды, этилового и пропилового спиртов и некоторых других жидкостей. Время чувствительности камеры может меняться от 0,1 до нескольких секунд. Конструктивно камера Вильсона представляет полый цилиндр, закрытый с одной стороны плоской стеклянной пластиной, а с другой стороны - подвижным поршнем или подвижным упруго закрепленным дном (рис.4). Образовавшиеся в камере следы частиц («трэки») фотографируются в рассеянном ими свете. Фотографирование проводится или двумя фотокамерами, или одной фотокамерой фотографируется трэк и его изображение в плоском зеркале. Получаемые стереоскопические снимки при промере позволяют точно измерять пространственные характеристики трэков. Для удаления остаточных ионов в объеме камеры создается слабое электрическое поле перед расширением.

Для измерения энергий легких частиц камера помещается в магнитное поле (по методу Скобельцына). По радиусу кривизны траектории можно вычислить импульс частицы

.

Диффузионные камеры. Для некоторых целей желательно получить камеру, которая имела бы чувствительность непрерывно. Это достигается в диффузионных камерах Вильсона. Принцип действия их состоит в том, что в камере создается градиент температуры: крышка имеет, температуру 30-70°С. С ней соединяется мягкий материал, пропитанный применяемой жидкостью. Дно камеры покрыто слоем жидкости при(-30°) - (-70°) С. В объеме камеры образуется область пересыщенного пара, имеющая непрерывно чувствительность к частицам.

Метод фотоэмульсий. Движение ионизирующей частицы в фотоэмульсии приводит к разложению галлоидного серебра эмульсии. Атомы, подвергшиеся воздействию движущейся частицы, являются центрами, делающими способными зерна к проявлению. Число зерен намного меньше числа пар ионов, но при не очень большой удельной ионизации плотность зерен, способных к проявлению, пропорциональна потере энергии. Ядерные эмульсии имеют более высокую концентрацию галлоидного серебра (» в 4 раза), чем оптические эмульсии, очень малые зерна (от 0,1 до 0,6 m), хорошо разделенные друг от друга, и толстые слои (от 25 до 2000 m). Чем мельче зерна серебра, тем большей ионизирующей способностью должна обладать регистрируемая частица. Выберем эмульсии можно выделять различные частицы. Они позволяют регистрировать осколки деления, a-частицы, мезоны, электроны. Для измерения энергии по длине пробега пользуются известными соотношениями между пробегом и энергией, или калибруют эмульсии с помощью однотипного излучения с известной энергией частиц. Вид частицы может быть установлен по характеру траектории. Измерения пробега проводятся на микроскопе с большой точностью отсчетов, фотообработка ядерных эмульсий значительно отличается от обработки оптических эмульсий.

Пузырьковые камеры. Недостатком камеры Вильсона и диффузионной камеры является малая тормозная способность газов, а фотоэмульсии - трудность их обработки. В то же время трэковые приборы имеют большое преимущество перед другими приборами регистрации. В 1952 г. Глэзер предложил пузырьковую камеру. Это сосуд, наполненный перегретой жидкостью. Ионизирующая частица, проходящая через камеры, вызывает ионизацию. Ионы являются центрами парообразования, и поэтому траектория частицы отмечается пузырьками газа. В качестве рабочей жидкости используются ксенон, этилен, пропан, фреоны, водород, гелий и другие жидкости или их смеси. Работа камеры сводится к следующим операциям. Температура камеры поддерживается постоянной. За некоторое время до прохождения исследуемых частиц срабатывает расширительное устройство, давление в камере падает до величины, значительно ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. Жидкость оказывается перегретой и камера - чувствительной к

Рис.5

ионизирующему излучению. Пропускается пучок исследуемых частиц, поджигаются осветительные лампы, производится фотографирование трэков.

Расширительное устройство повышает давление до первоначальной величины, пар конденсируется. После этого камера готова к новому циклу. Время чувствительности больших камер составляет сотые доли секунды. Пузырьковые камеры широко применяются при исследовании частиц больших энергий, для взаимодействия К -частиц с протонами, рассеяния π-мезонов на протонах, реакций типа π^-+ р -S^-+ К ⁺ и других процессов (рис. 5).

Счетчики Черенкова. При движении заряженных частиц в веществе со скоростью v, большей, чем скорость света с / n в данном веществе, возникает свечение. называемое свечением Черенкова. Оно ограничено конусом с угловым раствором d относительно направления движения частицы:

,

где п - коэффициент преломления вещества. Изучение имеет непрерывный спектр с плотностью излучения:

.

Для стекла п =1,51 и b =1, d =51°. Излучение можно использовать для регистрации «сверхсветовых» частиц. Измерение угла раствора конуса позволяет определить скорость и энергию частицы с очень большой точностью, например, при регистрации протонов с энергией 320 Мэв фотографическим методом их энергия определяется с точностью до 0,8 Мэв.