1.2.3 Детекторы частиц

Ядерные частицы ( , , , p, n…) из-за микроскопической природы нельзя наблюдать непосредственно. Поэтому для их регистрации, экспериментального измерения их характеристик, изучения процессов взаимодействия частиц с веществом необходимо изготовление специальных приборов, называемых детекторами ядерных частиц. В этих приборах микрочастицы регистрируются не непосредственно, а по их вторичному воздействию на вещество, важнейшим из которых являются образование электронов и ионов (ионизация), возбуждение атомов среды, приводящих к свечению (люминесценция, излучение Черенкова-Вавилова), тепловые явления и т.д. Благодаря этим эффектам частицы могут быть зарегистрированы по появлению на выходе детектора электрических импульсов тока или напряжения, либо по почернению фотоэмульсии, образованию видимых капелек тумана в пересыщенном паре, изменению структуры вещества и т.д. При необходимости сигнал, снимаемый непосредственно с детектора, можно затем усилить обычными ра­диотехническими средствами.

С помощью некоторых детекторов можно непосредственно определить полный поток час­тиц, их массу, заряд, скорость, энергию и т. п. Однако чаще всего информацию, поставляемую детектором, приходится подвергать тру­доемкой дополнительной обработке. Только после этого удается иден­тифицировать частицу и установить ее характеристики. Решающая роль при интерпретации данных рассеяния принадлежит законам сохранения.

Существует множество различных типов детекторов частиц, различия между которыми определяются используемой физической основой. Наибольшее распространение получили 2 их класса: счетчики (или детекторы дискретного счета) и трековые детекторы.

Счетчики фиксируют прохождение частицы через макроско­пический участок пространства в некоторый промежуток времени (длительностью 10^-4 — 10^-9с). Их относят к «электронным системам», поскольку события здесь проявляются в форме электрических импульсов. Счетчики могут считать количество частиц, измерять их энергию и скорость, разделять частицы по массам, измерять полную энергию потока частиц.

В газонаполненных счетчиках регистрируемые частицы ионизи­руют молекулы в газовом промежутке, к которому приложено вы­сокое напряжение. В результате частицы создают на своем пути элек­троны и положительные ионы, замыкающие цепь прибора, на выходе которого возникает импульс напряжения. При сравнительно низких напряжениях 100—1000 В счетчик работает в режиме насыщения тока, т.е. разряд несамостоятельный. Это есть ионизационная камера, которая фиксирует полную ионизацию, производимую всеми части­цами, связанную в свою очередь с их суммарной энергией. При более высоких напряжениях возникает вторичная ионизация, но разряд по прежнему еще несамостоятельный. В этом режиме работает пропорциональный счетчик, в котором выходной импульс пропорционален степени первичной ионизации, т. е. энергии регистрируемой частицы. Этот прибор не только считает количество частиц, но и измеряет их энергию. При еще более высоких напряжениях развивается самостоятельный разряд. В этом режиме работают счетчики Гейгера — Мюллера, которые фиксируют вспышки коронных разрядов, не зависящих от первичной ионизации.

Рабочий элемент твердотельных счетчиков — монокристалл, к про­тивоположным граням которого приложено напряжение. В кристал­лическом счетчике используется явление, аналогичное фотопроводи­мости: заряженная частица переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости, замыкая тем самым цепь. Полупроводниковый счетчик работает как полупроводниковый диод. Одна сторона моно­кристаллической пластины из кремния или германия легируется донорной примесью, а другая — акцепторной. На эти стороны подается обратное напряжение, запирающее диод и отсасывающее свободные электроны и дырки, увеличивая тем самым тол­щину переходного слоя. Заряженная частица проникает в область р —n перехода, резко обедненного носителями тока, где создает за счет ионизации дополнительные электронно-дырочные пары. Возникающие неравновесные носители под действием внешнего поля перемещаются к электродам и создают во внешней цепи импульс на­пряжения.

В рабочем веществе оптических счетчиков заряженные частицы порождают фотоны, регистрируемые обычно с помощью фотоэлектрон­ного умножителя. Сцинтилляционный счетчик — современная разновидность спинтарископа, только рабочим является весь объем вещества, а не его поверхность, а для регистрации световых вспы­шек применяется электронные фоторегистрирующие устройства. Действие черенковских счетчиков основано на регистрации из­лучения заряженных частиц, открытого П.А.Черенковым (1934 г.)

Трековые детекторы позволяют наблюдать визуально или фиксировать фотографическими и электромагнитными методами треки частиц — следы, оставляемые ими в рабочем веществе. В процессе обработки первичных данных получают ту или иную информацию о свойствах частиц. В частности по геометрии треков устанавливается число заряженных частиц, участвовавших в реакции, и направления их движения. Если трек умещается в рабочем объеме детектора, то по длине пробега определя­ется энергия частицы. По характеру трека судят о величине энергети­ческих потерь на единицу длины, откуда находят скорость частицы. Зная скорость и энергию частицы, можно найти ее массу. При­менение законов сохранения энергии и импульса позволяет устано­вить количество частиц, участвовавших в реакции. Если трековый детектор поместить в сильное магнитное поле, то траектория заря­женной частицы искривится. По кривизне определяется знак за­ряда частицы и модуль ее импульса.

Рабочий объем камеры Вильсона заполняется парами жидкости, которые охлаждаются за счет резкого расширения и делаются пересы­щенными. Пролетающая частица создает вдоль своей траектории цепочку ионов, служащих центрами конденсации. Образующийся туманный след подсвечивается сбоку и фотографируется в нескольких проекциях для выявления его пространственной структуры. Основ­ной недостаток камеры Вильсона — малая плотность рабочего ве­щества, из-за чего частица проходит через прибор, не останавливаясь в нем и вызывая мало превращений. Этот недостаток устранен в пузырьковой камере, в которой ис­пользуется перегретая жидкость. Движущаяся заряженная частица образует ионы, на которых возникают пузырьки пара, фиксируемые так же, как в камере Вильсона. С помощью пузырьковых камер сделан ряд открытий фундаментальной важности, но их трудно из­готавливать, они дороги и сложны в эксплуатации.

Родоначальником всех искровых детекторов является газонаполненное устройство с двумя параллельными плоскими электродами, к которым прикладывается постоянное высокое напряжение от 2 до 10 кВ. При переходе к современным искровым детекторам решающей явилась идея их импульсного питания. Стримерная камера, например, имеет очень корот­кие импульсы питающего напряжения (длительностью до 10^-8 с). За малое время вдоль траектории частицы успевают возникнуть только зародыши искры — стримеры, образующие тонкий и четкий светящийся трек, который можно сфотографировать на высокочувствительную пленку.

Достоинства и недостатки счетчиков и детекторов определяются целым рядом параметров, важнейшими из которых являются:

Эффективность – вероятность регистрации частицы при ее попадании в рабочий объем детектора.

Время памяти (число рабочих циклов)- время сохранения структурных изменений рабочего вещества детектора, подлежащих выявлению.

Мертвое время- время восстановления детектора до первоначальной чувствительности после очередного срабатывания.

Энергетическое разрешение – точность измерения энергии частицы.

Пространственное разрешение- точность определения места попадания частицы в объем детектора.

Временное разрешение-точность измерения момента прохождения частицы через детектор.

Существуют и другие, не менее важные параметры: эффективный объем детектора, чувствительность, управляемость, длительность и трудность обработки результатов и т. д.).

Остановимся более подробно на характеристиках счетчика Гейгера-Мюллера, получившего широкое распространение в научных и учебных экспериментах, а также в бытовых условиях.

В качестве первичного воздействия в счетчике Гейгера-Мюллера (рис.6) используется ионизация газа регистрируемой частицей.

Рис.6 Конструкция счетчика Гейгера-Мюллера

Конструктивно счетчик представляет собой тонкостенную стеклянную герметичную камеру цилиндрической формы. С внутренней стороны камера покрыта тонким слоем металла, который служит катодом. Анодом является тонкая металлическая нить, протянутая по оси цилиндра. Такая геометрия электродов приводит к тому, что электрическое поле очень велико в малой области вокруг анодной нити и мало в остальном пространстве внутри счетчика. Заряженная частица, пролетая в газе, ионизирует его (ударная ионизация), создавая положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых они также становятся способными производить ударную ионизацию, поэтому в ранее нейтральном газе возникает лавинный процесс образования заряженных частиц и по цепи проходит ток  самостоятельный разряд. Для того, чтобы приготовить счетчик к восприятию новых частиц  разряд надо погасить. Это достигается включением в цепь счетчика большого сопротивления R. В момент проявления тока на этом сопротивлении возникает большое падение потенциала. В результате напряжение между катодом и анодом уменьшается настолько, что разряд прекращается и счетчик снова готов к работе. Регистрирующее устройство отмечает и запоминает, что по цепи прошел импульс тока. Своевременное быстрое гашение самостоятельного разряда достигается еще введением в счетчик специально подобранных газовых смесей.

Вполне очевидно, что если в счетчик попадают другие частицы, когда разряд в нем еще не погашен, то все они будут зафиксированы им как одна. Поэтому время , проходящее от появления в одной частице в счетчике до полного гашения, вызванного ею разряда, называется «мертвым» временем счетчика. Физическая величина называется разрешающей способностью счетчика. Она показывает, при каком максимальном количестве частиц, влетающих в счетчик в единицу времени, они будут разрешены (зафиксированы) как отдельные частицы.

Детекторы описанной конструкции могут работать в различных режимах. Если разность потенциалов между катодом и анодом настолько мала, чтобы не возникло ударной ионизации, и достаточно велика, чтобы не наступила рекомбинация ионов, то, измерив суммарный заряд и число ионов, можно найти энергию пролетевшей частицы. Работающий в таком режиме (малое напряжение, нет ударной ионизации) прибор называется ионизационной камерой. С ростом напряжения на счетчике вблизи нити, где поле имеет наибольшую напряженность, начинается ударная ионизация, приводящая к процессу образования лавин. Каждая лавина протекает независимо от других, что обеспечивает пропорциональное усиление первичной ионизации независимо от ее величины. Таким образом, величина импульса оказывается пропорциональной энергии ионизирующей частицы. Поэтому счетчик, работающий в этом режиме, называют пропорциональным счетчиком. Необходимые для газового усиления большие напряженности полей, при сравнительно небольших, разностях потенциалов между электродами, обеспечиваются цилиндрической конструкцией счетчика.

При дальнейшем увеличении напряжения счетчик переходит в режим самостоятельного разряда, и величина заряда, созданного в процессе газового усиления, становится независимой от первичной ионизации. При этом теряется возможность определения величины энергии ионизирующей частицы. Задача счета частиц сильно облегчается, т.к. величина импульса даже при возникновении в счетчике одной пары ионов может достигать десятков вольт. Работающие именно в таком режиме детекторы называются счетчиками ГейгераМюллера.

Для определения напряжений, необходимых для обеспечения различных режимов работы детектора, экспериментально строят его рабочую характеристику  график зависимости скорости счета частиц n от разности потенциалов между катодом и анодом при облучении детектора одним и тем же радиоактивным источником. Типичная характеристика имеет вид, представленный на рис.7: область АВ соответствует режиму «ионизационная камера», область ВС

Рис.7

 пропорциональный счетчик, область СД  счетчик ГейгераМюллера.

Влияние мертвого времени  на результаты измерений сказывается в том, что число зарегистрированных частиц N счетчиком за время t меньше числа частиц N₀, влетевших в счетчик за это же время, т.е. скорость счета частиц меньше число частиц, попавших в счетчик в единицу времени.

Записав очевидное равенство , получим или . Зная величину , постоянную для данного счетчика, можно уточнить экспериментально найденное число n.