Тема 3 Детекторы ионизирующих излучений

1 Назначение и принципы работы детекторов.

2 Детекторы ионизационного типа.

3 Трековые и координатные детекторы.

4 Принципы действия сцинтилляционных и трековых детекторов.

 

Основные понятия по теме

 

Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик.

Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает за счет электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса (условно детекторы, использующие этот принцип, будем называть ионизационными). При возвращении возбужденных атомов в основное (невозбужденное) состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип используется в сцинтилляционных детекторах.

При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы, можно сделать видимой. Это осуществляется в так называемых трековых детекторах.

Нейтральные частицы (такие как нейтрон или -гиперон) непосредственно не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших либо в реакциях этих нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада этих частиц. Гамма-кванты также регистрируются по вторичным заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, Комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.

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).

Детекторы ионизационного типа. К рабочей среде этих детекторов прикладывается электрическое поле. При ионизации среды заряженной частицей возникает кратковременный электрический ток, регистрируемый соответствующей электроникой. Сама детектирующая среда может быть газообразной, жидкой или твердой.

Наиболее обширную группу детекторов этого типа образуют газонаполненные детекторы. Простейшим из них является ионизационная камера.

В прос­тейшем случае ионизационная камера состоит из двух параллельных металлических пластин – электродов, пространство между которыми заполняется воздухом или другим газом и является чувствительным объе­мом камеры. К электродам камеры прикладывается некоторая разность потенциалов от источника постоянного напряжения (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 – Схема включения ионизационной камеры

 

Если к камере поднести радиоактивный источник, то его излучение, взаимодействуя с атомами и моле­кулами газа, заполняющего чувствительный объем, производит их ионизацию. В пространстве между электродами из электрически нейтральных атомов и молекул газа образуются электроны и положительные ионы. Если разность потенциалов между электродами отсутствует, то ионы в камере находятся в состоянии хаотического теплового движения, при этом они сталкиваются между собой и рекомбинируют, снова образуя электрически нейтральные атомы и молекулы. Если между электродами камеры создать некото­рую разность потенциалов, тогда электроны и поло­жительные ионы наряду с тепловым движением бу­дут совершать еще и поступательное движение в направлении действия сил электрического поля. Число ионов, достигающих электро­дов и нейтрализующихся на них, увеличивается, и соответственно увеличивается ионизационный ток в цепи камеры, который может быть измерен с помо­щью гальванометра.

Пропорциональный счётчик. Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра (рисунок 3.2), что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 В/см., в то время как у катода она равна сотням В/см.

 

 

Рисунок 3.2 – Схема пропорционального счётчика в продольном (а) и

поперечном (б) разрезах: 1 – нить-анод, 2 – цилиндрический катод, 3 –

изолятор, 4 – траектория заряженной частицы, 5 – электронная лавина.

 

Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета-частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. гамма-квантов используют ксенон.

Трековыми детекторами называют группу детекторов, в которых при прохождении заряженной частицы возникает визуально наблюдаемый след (трек) этой частицы. В трековых детекторах след частицы визуально наблюдаем. В то же время есть группа детекторов в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть координатными.

Основные виды трековых и координатных детекторов, а также их основные пространственные и временные характеристики приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Типы трековых и координационных детекторов и их основные характеристики

 

Тип детектора	Пространственное разрешение, мм	Временное разрешение, с.	Мертвое время, с.
Эмульсии	10- 3	-	-
Камера Вильсона	0.3	0.1	0.01
Диффузионная камера	0.5		-
Пузырьковая камера	0.1	10-3	0.1
Искровая камера	0.1-0.3	10-6	10-8
Стримерная камера	0.2-0.3	2.10-6	0.1
Пропорциональная камера	0.05-0.3	10- 9-10-8	2.10-7
Дрейфовая камера	0.1-0.2	2.10- 9	10-7
Кремниевые микрострипы	0.01-0.02	10- 8	10-8

 

Принцип действия сцинтилляционного счетчика. Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также светодиоды.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора – вещества, способного испускать видимое излу­чение под действием заряженных частиц, и фотоэлек­тронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия этих световых вспышек (сцинтилляций) посредством фотоэффекта преобразуется в импульсы электриче­скою тока (рисунок 3.3).

 

Рисунок 3.3 – Схема сцинтилляционного детектора:

1 – сцинтиллятор; 2 – фотокатод; 3 – диафрагма; 4 – корпус ФЭУ;

5 – диноды; 6 – анод; 7 – делитель напряжения.

 

Заряженные частицы, попадая в сцинтиллятор 1, расходуют свою энергию на возбуждение и иониза­цию атомов или молекул сцинтиллятора, причем часть этой энергии излучается в виде фотонов види­мого света, испускаемых во всех направлениях. Фото­ны, попадая сквозь прозрачное окно на фотокатод 2, выбивают из него, в результате фотоэлектрического эффекта фотоэлектроны, которые ускоряются и фоку­сируются электрическим полем между первым динодом: системы умножения и фотокатодом и направляются на первый динод. В результате многократ­ного умножения число, электронов, собираемых на аноде 6, может на несколько порядков превышать первоначальное число фотоэлектронов образованных в результате фотоэффекта на фотокатоде ФЭУ. Соби­раемые на аноде ФЭУ электроны создают импульс напряжения на сопротивлении анодной нагрузки R, который, регистрируется электронной схемой. Ускоряющееся поле между электронами ФЭУ создается с помощью делителя 7, подключенного к источнику высокого напряжения U. Каждый последующий электрод имеет более высокий потенциал, чем предыдущий. Для исключения влияния внешней подсветки вся система помещается в светонепроницаемый корпус 4.

Полупроводниковый детектор – прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным элементом которого является кристалл полупроводника. Полупроводниковый детектор работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Он представляет собой полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение (~ 10² В). Слой полупроводника вблизи границы р-n - перехода с объёмным зарядом «обеднён» носителями тока (электронами проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением. Заряженная частица, проникая в него, создаёт дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля «рассасываются», перемещаясь к электродам полупроводниковый детектор. В результате во внешней цепи детектора возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется.

 

 

Вопросы для самоконтроля

1 Какие общие принципы лежат в основе работы детекторов?

2 Какие вы знаете виды детекторов ионизирующих излучений?

3 Характеристики детекторов?

4 Принцип работы ионизационной камеры?

5 Как работает пропорциональный счётчик?

6 Типы и принципы работы трековых детекторов?

6 Принципы работы сцинтилляционного счетчика?

7 Принципы работы полупроводниковых детекторов?