Кристаллические детекторы Регистрация следов заряженных частиц в диэлектрических средах
Во многих самых распространенных твердых изоляторах заряженные частицы с большой массой и энергией создают зоны повреждения или треки, которые можно наблюдать с помощью оптических или электронных методов усиления изображения.
Впервые такие треки наблюдались с помощью электронного микроскопа в тонких кристаллах циркона (ZrSiO2), облученных осколками деления урана. Треки были видны, так как радиационные повреждения обусловливали дифракцию электронов на треке. Следы осколков были обнаружены этим методом и в других материалах, но сама процедура их наблюдения была очень трудоемка и требовала приготовления очень тонких образцов (толщиной меньше, чем 3·10-5 см). Так как в этом методе использовалось большое усиление, то найти трек было нелегко, а в поле зрения микроскопа наблюдалась лишь часть трека.
В дальнейшем было найдено, что треки можно “проявлять”, т.е. увеличивать, облегчая тем самым их наблюдение. Идея “проявления” состоит в том, что поврежденные области твердого тела разъедаются различными химическими соединениями гораздо более быстро, чем неповрежденные. Впервые этот эффект был обнаружен на слюде. Если образец слюды, содержащий следы частиц, поместить в раствор фтористоводородной кислоты, то кислота быстро проникает на всю глубину следа (трека), превращая поврежденную область в четко очерченную полую трубку диаметром около 50 нм. При этом, диаметр следа увеличивается до такой величины, что он становится больше длины волны видимого света, и, следовательно, сама трубка становится видимой в оптическом микроскопе (в проходящем свете как темный объект на светлом фоне).
В некоторых материалах, таких, как слюда и циркон, скорость увеличения диаметра трубки много меньше скорости травления по глубине следа. Это обстоятельство обеспечивает сохранение цилиндрической формы растравливаемого следа. В материалах типа стекла скорость увеличения диаметра при травлении хотя и меньше скорости травления вглубь, но сравнима с ней. В этом случае протравленные следы имеют скорее коническую, чем цилиндрическую форму. В некоторых диэлектриках (кальците или LiF) возникают только мелкие углубления. Диаметр протравленного следа в стекле достигает 20…50 мкм, причем примерно до 20 мкм диаметр увеличивается линейно со временем травления.
Формы протравленных следов различны и зависят от материала, травителя, времени и температуры при травлении. Можно утверждать лишь следующее: почти во всех изоляторах – минералах, стеклах, полимерах – можно проявить следы заряженных частиц с достаточной плотностью ионизации.
Основной характеристикой вещества с точки зрения его пригодности как детектора следов является “трековая” чувствительность. Оказывается, что эта характеристика зависит только от одного параметра – минимального (критического) значения удельных потерь энергии dE/dx заряженной частицей, при которых возникают повреждения, приводящие к образованию следа. Зная критическое значение dE/dx, можно предсказать, какие частицы будут создавать следы и при каких энергиях.
Однажды образованные повреждения сохраняются практически неограниченное время (сравнимое с возрастом Земли) и даже при нагревании до температур в сотни градусов (в соответствующих материалах – кварце, например) и при охлаждении до температур, порядка десятков градусов шкалы Кельвина. На образование и проявление повреждений не влияют ни давления до 80 кбар (8·10-4 атм), ни очень большие дозы радиации.
Было предложено несколько механизмов, объясняющих процесс образования следов. Лучше всего объясняет детали, а в особенности резкую зависимость способности материала образовывать след от его электропроводности (в изоляторах и полупроводниках с большим сопротивлением следы образуются; в металлах и полупроводниках типа Ge и Si – нет) следующий механизм, иллюстрируемый рис. 5.7.
а) б)
Рис. 5.7. Возможный механизм образования области повреждении в диэлектрике при прохождении заряженной частицы
Вытянутая область повреждений вдоль пути прохождения заряженной частицы создается в результате кулоновского отталкивания положительных ионов, которые оставляются после срыва электронов проходящей заряженной частицей. Сразу же после прохождения заряженной частицы (через время примерно 10…12 с) создается область объемного заряда, поскольку электроны в результате взаимодействия с заряженной частицей получили импульс и удалились от ионов (см. рис. 5.7а). Кулоновское взаимодействие между оставшимися ионами приводит к тому, что ионы, отталкиваясь друг от друга, нарушают кристаллическую решетку и внедряются в междоузлия (см. рис. 5.7б). Таким образом, образуется вытянутая область повреждений, которая видна в электронный микроскоп. Анализируя нарушения, а, следовательно, вилки или тройные следы, можно определить время, через которое происходит реакция (например, деление) после соударения двух ядер.
Диэлектрические детекторы весьма неприхотливы (не боятся высоких и низких температур, больших потоков слабо ионизирующего излучения g-квантов, электронов и т.д.), в простейшем случае измерения числа треков требуют очень скромной аппаратуры. Конечно, визуальный подсчет числа треков – утомительная процедура, особенно когда проводятся массовые изменения, например распределения чисел деления в активной зоне ядерного реактора. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса счета треков. Для этого можно использовать сложную технику, развитую для анализа следов в пузырьковых и искровых камерах и фотоэмульсиях. Но поскольку в диэлектрическом детекторе необходимо только считать следы, а не анализировать их форму, как в трековых приборах, машину для подсчета следов можно сделать гораздо дешевле и проще. Особенно легко осуществляется автоматизация при большой плотности следов, когда заметно изменяются свойства самой поверхности – поверхность стекла становится матовой. Степень матовости пропорциональна плотности проявленных треков и может быть легко определена, например, по изменению отражающих свойств поверхности.
Если по условиям эксперимента нет необходимости во временном анализе событий, то диэлектрические детекторы со слоем делящегося материала могут успешно заменять камеры деления, а в некоторых случаях, и позволяют проводить эксперименты, невозможные с ионизационными камерами деления. При этом делящиеся элементы вовсе не обязательно вводить внутрь детектора, а достаточно просто приложить их к его поверхности. Эффективность регистрации осколка определяется в этом случае только критическим углом входа осколка в данный диэлектрик, и, если угловое распределение осколков изотропно, как это в большинстве случаев и бывает, может быть вычислена по величине критического угла. Для обычного стекла со слоем делящегося элемента, приложенного к его поверхности, эффективность регистрации 0,3…0,4, а для слюды близка к единице. В такой “твердой” камере одиночный акт деления легко выделяется на фоне практически любого числа a-частиц или протонов, что делает возможным измерение сечений деления или делительных событий например, внутри камеры ускорителя в условиях огромного фона заряженных частиц. Такую же твердую камеру с диэлектриком, устойчивым к высокой температуре (кварц, например), можно использовать для измерения распределений числа актов деления в активной зоне мощного энергетического реактора в условиях высокой температуры и большого нейтронного и g-фона.
Удобны детекторы со слоями делящихся материалов в нейтронной дозиметрии из-за их нечувствительности к g-квантам и электронам, а также нейтронам, не вызвавшим актов деления в слое.
Детекторы с малым содержанием делящихся элементов (например, стекло, не загрязненное ураном) могут выдерживать интегральные потоки до 1020 нейтрон/см2.
Если использовать набор делящихся материалов с разными порогами деления, то можно методами, совершенно аналогичными методам, применяемым при работе с индикаторами, судить о спектре нейтронов, облучавших данный набор элементов. При массовых дозиметрических измерениях удобно использовать слои делящихся элементов, толщина которых заведомо больше, чем максимальный пробег самого энергичного осколка. Тогда эффективность регистрации актов деления не зависит от толщины слоя и практически не зависит от делящегося элемента, поскольку энергетические и угловые распределения осколков у всех элементов с точностью, необходимой для дозиметрии, можно считать одинаковыми. Число зарегистрированных следов определяется только сечением деления и потоком нейтронов.
Перечислим еще некоторые области применения детекторов. Это активационный анализ на определение примесей бора, лития и делящихся элементов, который оказывается достаточно чувствительным. Интересны приложения в технологии, где эффекты повреждения используются для изготовления фильтров для задержки вирусов (отверстия порядка нескольких микрон). Подсчеты повреждений в минералах, вызванных спонтанным делением примесей делящихся элементов, позволяют определять их возраст.