Измерение энергии частиц с помощью ионизационных камер, сцинтилляционных и полупроводниковых счетчиков

Ионизационные камеры, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики для моноэнергетических заряженных частиц имеют функцию отклика в виде кривой по форме, близкой к распределению Гаусса. Эффективность регистрации заряженных частиц, попавших в чувствительный объем детектора, равна единице.

Нижний предел измеряемых энергий определяется шумами измерительных устройств и собственными шумами детекторов, а верхний предел – размерами детекторов. Амплитуды импульсов в ионизационных камерах и полупроводниковых детекторах линейно связаны с энергией заряженных частиц, если эффекты рекомбинации, потери энергии заряженными частицами при проходе в чувствительный объем детектора и другие подобные эффекты малы. В сцинтилляционных счетчиках амплитуды импульса для большинства кристаллов нелинейно связаны с энергией тяжелых заряженных частиц. В настоящее время из перечисленных приборов с точки зрения энергетического разрешения наиболее перспективны полупроводниковые счетчики. Опишем некоторые особенности, связанные с измерением энергии заряженных частиц по интегральным ионизационному, сцинтилляционному эффектам, а также по эффекту образования носителей в полупроводнике.

Измерение энергии тяжелых заряженных частиц

Методы изме­рения энергий различных тяжелых заряженных частиц имеют много общего, поэтому будем их рассматривать на примере измерения энергий α-частиц. В связи со сравнительно небольшими пробегами широкое применение для изучения спектров α-частиц нашли ионизационные камеры. С их помощью получают неплохое энергетическое разрешение – 0,7% для α-частиц с энергией около 5 Мэв. Ширина линии в ионизационных камерах с ионным собиранием обусловлена главным образом флуктуациями в числе пар ионов и шумами усилителей. При работе камер в режиме электронного собирания энергетическое разрешение зависит еще и от индукционного эффекта, но шумы усилителей в этом случае оказывают меньшее влияние. Поэтому близкое, к указанному выше, энергетическое разрешение получают в камерах с ионным и электронным собиранием.

Камеры с ионным собиранием выгодно отличаются простотой конструкции. Но они являются очень «медленными» приборами. При высоком энергетическом разрешении не позволяют регистрировать более одного-двух импульсов в 1 с. Постоянная времени камер RС должна быть в несколько раз больше, чем время дрейфа ионов в камере, которое в камерах с размерами порядка нескольких сантиметров составляет 10^-3 с. Если при этом постоянная времени RC приблизительно 5·10^-3 с, то время спада импульса до 0,01 своей величины составляет около 0,02 с, Следовательно, при регистрации в среднем 1 имп/с вероятность их наложения в интервале 0,02 с составит примерно 2%.

При электронном собирании камеры оказываются способными регистрировать несколько сот импульсов в 1 с с малой вероятностью наложения. Но в таких камерах необходимо устранять индукционный эффект или с помощью установки сеток в плоских камерах, или с помощью неоднородного электрического поля (цилиндрические, сферические камеры). Лучшие результаты с точки зрения энергетического разрешения получают в плоских камерах с сеткой.

Отметим еще причину усложнения функции отклика и ухуд­шения энергетического разрешения, связанного с так называемым стеночным эффектом. Если во всем объеме камеры появляются заряженные частицы (например, при регистрации протонов отдачи при упругом рассеянии нейтронов), то среди них всегда найдутся такие, пробег которых будет оканчиваться в стенках камеры. Относительное число частиц, пробеги которых не укладываются в камере, можно легко оценить, представляя участки поверхности сферической камеры плоскостью. Такое предположение будет тем справедливей, чем меньше пробеги частиц в сравнении с радиусом камеры.

Очень хорошие результаты получают при изучении спектров α-частиц с помощью полупроводниковых счетчиков. С поверхностно-барьерными счетчиками (Au – Si) достигнуто энергетическое разрешение около 0,2% для α-частиц с энергией 6 Мэв. В этом случае энергетическое разрешение ограничено в основном тепловыми шумами полупроводника. Нижний предел измеряемых энергий ограничен собственными шумами полупроводника и шумами измерительной аппаратуры. Этот предел около 15 кэв. Верхний предел измеряемых энергий ограничен глубиной чувствительного слоя. Для поверхностно-барьерных счетчиков он составляет 40 Мэв для α-частиц и примерно 10 Мэв для протонов. Значительно большие энергии можно измерить в литий-дрейфовых полупроводниковых детекторах (до 200…300 Мэв для α-частиц).

При спектрометрии тяжелых заряженных частиц с очень большой плотностью ионизации (осколки деления, медленные ионы) в полупроводниковых счетчиках происходит ряд явлений, ухудшающих их спектрометрические свойства. Эти явления связаны, во-первых, с большой вероятностью рекомбинации, и поэтому осколки с одинаковой энергией и разными массами производят разные амплитуды. Рекомбинационный эффект можно уменьшить, увеличивая напряжение смещения. Однако с ростом напряжения смещения может проявляться внутреннее усиление в детекторах. Во-вторых, для заряженных частиц с большой массой более существен эффект рассеяния на ядрах, при которых часть энергии осколков деления передается кристаллической решетке детектора, причем тем большая, чем больше масса осколка. Указанные процессы приводят к ухудшению энергетического разрешения, нелинейной связи импульса с энергией осколка и появлению низкоэнергетического «хвоста» в амплитудном распределении импульсов. Все это требует калибровки полупроводниковых спектрометров, т.е. изучения их функции отклика в зависимости от массы и энергии тяжелых заряженных частиц. Калибровку удается производить достаточно уверенно, поскольку установлена линейная зависимость между амплитудой импульса и энергией осколка с данной массой, а также между энергией и массой при фиксированной амплитуде.