ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации атомных и субатомных частиц.

Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

Взаимодействие частиц с веществом.
Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

Ионизационные приборы.
Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением i = nq/t, где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой E = nk, где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n-переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n-переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n-переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

Детекторы нейтронов и гамма-квантов.
Ионизационные приборы, сцинтилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные же частицы, например нейтроны и гамма-кванты, должны сначала как-то подействовать на вещество, чтобы возникли заряженные частицы, на которые может реагировать счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар. Фотоэффект – это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект – это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером, таких, как углерод. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец.

Главная задача при регистрации гамма-квантов – найти вещество, которое легко поглощало бы их и одновременно было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные приборы сравнительно мало чувствительны к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя в какой-то степени преобразование происходит в стенках счетчика. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались сцинтилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности, содержащими элементы с большими атомными номерами. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия дают почти 100%-ную эффективность регистрации гамма-квантов в широком диапазоне энергий. В равной степени подходят и другие сцинтилляционные материалы. Их выбор обычно зависит от исследуемого излучения. Черенковские счетчики тоже применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве черенковских излучателей широко применяются свинцовое стекло и бромоформ.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода сцинтилляционные пластмассы и жидкости пригодны для регистрации нейтронов с эффективностью 10–20%. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью, особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфа-частиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции – деление ядер. Применяются ионизационные камеры с внутренним слоем делящего материала, такого, как уран-235. По большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. У детекторов медленных нейтронов эффективность регистрации нейтронов, как правило, гораздо выше, чем для гамма-излучения. Но у используемых для регистрации быстрых нейтронов сцинтилляционных счетчиков эффективность обычно примерно одинакова в обоих случаях. Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры.
При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.

Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные явления.

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные – в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

Искровые камеры.
Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Твердотельные трековые детекторы.
Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.