Детекторы частиц

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации частиц (протонов, нейтронов, осколков деления ядер, электронов, γ-квантов, нейтрино и др.). Детекторы  частиц применяются для определения типа ядерного излучения и измерения его основных характеристик (интенсивности, энергетического и пространственного распределений и др.). Детекторы частиц используют в экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, ядерных реакторах, при исследовании космических лучей, а также в дозиметрии и радиометрии.

Действие детекторов частиц основано на различных процессах взаимодействия частиц с веществом. Основными процессами, которые вызываются заряженными частицами, являются ионизация и возбуждение атомов и молекул, а также (для релятивистских частиц) возбуждение черенковского и переходного излучений. Нейтральные частицы (нейтроны, γ-кванты и др.) регистрируются по вторичным заряженным частицам, появляющимся в результате их взаимодействия с веществом. В случае γ-квантов это электроны, возникающие за счёт фотоэффекта, эффекта Комптона, рождения электрон-позитронных пар. Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным продуктам взаимодействия (ядрам, протонам, мезонам и др.), медленные нейтроны - по излучению, сопровождающему их захват ядрами вещества (смотри Нейтронные детекторы).

Наиболее обширную группу детекторов частиц составляют ионизационные детекторы, действие которых основано на ионизации атомов и молекул, вызываемых заряженной частицей в веществе рабочего объёма детектора. Ионизационные детекторы подразделяются на электронные, в которых образующиеся за счёт ионизации газа электроны и ионы вызывают регистрируемый электрический импульс, и трековые, позволяющие воспроизвести траекторию (трек) частицы. Если изначальным откликом детектора на попадающие в него частицы является световой (фотонный) сигнал, такие детекторы называются фотонными.

Идентификация типа излучения достигается выбором вещества, с которым происходит взаимодействие, а также применением различных методов детектирования: измерение части энергетических потерь ΔЕ в веществе в сравнении с полным энерговыделением Е (ΔЕ-Е метод); измерение времён пролёта разных частиц на фиксированной базе (времяпролётный метод); метод анализа формы импульса (АФИ метод); метод, основанный на анализе глубины и диаметра протравленного трека, и др.

Основные характеристики детекторов. Эффективность регистрации детекторов частиц (вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объём детектора частиц) определяется его конструкцией и свойствами рабочего вещества. Для заряженных частиц, как правило, эффективность близка к 100%, для нейтронов и γ-квантов она заметно меньше 100% (т. к. регистрируются процессы вторичной ионизации) и сильно зависит от энергии частиц. Интенсивность излучения, попавшего в детекторы частиц, определяется по частоте следования электрических импульсов, по величине силы тока, степени почернения фотоэмульсии, плотности треков и др.

К важным характеристикам детекторов частиц относятся также быстродействие (способность регистрировать две частицы как отдельные события за минимальный интервал времени) и мёртвое время (интервал времени, в течение которого детектор не способен регистрировать очередное событие). С быстродействием детекторов частиц напрямую связано его временное разрешение (средняя погрешность в определении временной отметки). К быстродействующим детекторам можно отнести большинство детекторов на органических сцинтилляторах, ряд детекторов на неорганических сцинтилляторах, пропорциональные счётчики и др., временное разрешение которых составляет 0,1-0,5 нс. Энергетическое разрешение (энергетическая разрешающая способность) R_E детекторов частиц определяется в основном свойствами рабочего вещества и долей энергии, оставляемой частицей в детекторе. За величину R_E обычно принимают полную ширину спектральной линии α- или γ-источника на её полувысоте, полученную из измерений. Самым высоким энергетическим разрешением обладают детекторы на основе сверхчистого германия (R_E =  0,5-1,0 кэВ для γ-излучения с Е =  122,1 кэВ), полупроводниковые кремниевые и монокристаллические алмазные детекторы частиц (R_E= 15-30 кэВ для α-частиц с Е = 5485,6 кэВ). Самое низкое энергетическое разрешение у газовых детекторов частиц (R_E = 100-300 кэВ для α-частиц с Е =  5485,6 кэВ). Т.н. позиционно-чувствительные детекторы частиц способны определять координаты частиц в пространстве в одной или двух плоскостях. Пространственное разрешение (точность локализации частицы в пространстве) составляет (2-5)·10^-2 мм для микростриповых кремниевых детекторов и порядка 10 мм для трековых твердотельных диэлектрических детекторов.

Электронные детекторы частиц. К электронным детекторам относятся полупроводниковый детектор, ионизационная камера и аналогичные газовые приборы.

Газовые ионизационные детекторы частиц представляют собой, по сути дела, конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. При прохождении заряженных частиц в газовом объёме происходит ионизация вещества, заключённого между двумя электродами с различными потенциалами, в результате чего в электрической цепи возникает ток. При невысокой напряжённости электрического поля ток в цепи не зависит от напряжения на конденсаторе и равен произведению заряда электрона на число пар ионов в единицу времени. Такие детекторы называются ионизационными камерами. При подборе соответствующего газа и конструкции ионизационные камеры способны регистрировать практически все виды излучений.

При более высоких значениях напряжённости поля возникает вторичная ионизация и ток на конденсаторе начинает зависеть от напряжения и становится пропорционален ионизационному эффекту, создаваемому частицами. Такие детекторы называются пропорциональными счётчиками, они применяются для измерения интенсивности излучения и определения энергии частиц. При ещё более высоких напряжённостях поля в конденсаторе возникает разряд при попадании частицы в детектор, и поэтому их называют газоразрядными счётчиками. Наиболее известным примером является Гейгера счётчик, используемый для регистрации α-, β- и γ-излучений. Если в ёмкость между конденсаторами поместить сжиженный газ (обычно аргон или ксенон), то получится жидкий ионизационный детектор, который отличается хорошим энергетическим и пространственным разрешением. Такой детектор, называемый ионизационным калориметром, используется для регистрации релятивистских частиц.

Полупроводниковый детектор можно рассматривать как ионизационную камеру с твёрдым диэлектриком между электродами, однако, в полупроводниках процессы образования и движения носителей заряда несколько иные, чем в газе. Средняя энергия, расходуемая на создание одной пары ионов в газе, составляет около 35 эВ для воздуха и около 27 эВ для аргона, в то время как для кремния и германия она равна 3,7 и 3,0 эВ соответственно. За счёт этого полупроводниковые детекторы имеют более высокое энергетическое и временное разрешение. Высокая эффективность регистрации быстрых частиц и γ-квантов полупроводниковым детектором обусловлена высокой плотностью вещества детектора (на три порядка выше, чем в газе) и возможностью создания объёмных детекторов (несколько сотен см³).

Трековые детекторы частиц. Отдельный класс ионизационных детекторов составляют трековые детекторы, в которых прохождение заряженной частицы фиксируется в виде трека частицы. К трековым детекторам частиц относятся: Вильсона камера и диффузионная камера, работающие за счёт образования конденсата пересыщенного пара на ионах; пузырьковая камера, треки в которой формируются за счёт вскипания перегретой жидкости; искровая камера, дающая след частицы в виде искрового пробоя при подаче на электроды импульсного напряжения до сотни киловольт; стримерная камера, след в которой образуется слабосветящимися электронными лавинами; ядерные фотографические эмульсии на основе отдельных кристаллов или зёрен AgBr. К трековым детекторам частиц относят также диэлектрический детектор на основе твердотельного диэлектрика (типа слюды, кварца, полипропилена и др.), дающий после химического травления отчётливые треки лёгких и тяжёлых заряженных частиц. Такой детектор позволяет измерять интегральный поток частиц в условиях интенсивного фона слабоионизирующих излучений, определять заряд, массу и энергию частиц, а также отличается очень высоким пространственным разрешением.

Фотонные детекторы частиц. К этому типу относятся сцинтилляционный детектор и черепковский счётчик, в которых для преобразования света в электрические сигналы используются различные фотоприёмники: фотоумножители, фотодиоды, фотоэлементы и др. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации вспышек излучения (сцинтилляций) в видимой и УФ областях спектра. Основными элементами такого детектора являются сцинтиллятор, в котором проходящая частица вызывает световую вспышку, и фотоприёмник, регистрирующий вспышку. Сцинтилляционные детекторы характеризуются высоким временным разрешением, большой амплитудой сигнала на выходе фотоприёмника и малым временем восстановления. Для детектирования релятивистских частиц и их разделения по скоростям применяются черенковские счётчики. В черенковском счётчике заряженная частица, двигаясь со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде, излучает свет, коррелированный с направлением движения (смотри Вавилова - Черенкова излучение). Т.к. излучение света происходит мгновенно, то временное разрешение определяется характеристиками фотоприёмника. Интенсивность излучаемого света в черенковском счётчике обычно в десятки раз меньше, чем в сцинтилляционном детекторе, но достаточна для надёжной регистрации частиц.

В современных экспериментальных исследованиях используются, как правило, установки, содержащие большое количество детекторов различных типов.

Лит.: Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е изд. М., 1985; Ляпидевский В. К. Методы детектирования излучений. М., 1987; Акимов Ю. К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна, 2006.