Сцинтилационният детектор открива какви частици. Сцинтилатор: детектор за йонизиращо лъчение

Сцинтилациите, латинската дума, са проблясъци на видима светлина, причинени от заредени частици в материята. Работата на сцинтилационния детектор се основава на регистриране на фотони, излъчвани от възбудени атоми. Първият сцинтилационен детектор, наречен спинтарископ, е екран, покрит със слой ZnS... Светкавиците, които се появяват, когато заредени частици го ударят, са записани с помощта на микроскоп. Именно с такъв детектор беше проведен експериментът за разсейване на алфа частици от златни атоми, което доведе до откриването на атомното ядро.

Не всеки прозрачен материал е подходящ като сцинтилатор; той трябва да е прозрачен за собственото си излъчване. Те включват NaJ (Tl), CsI, органичен: антрацен (C 14 H 10), стилбен (C 14 H 12), нафталин (C 10 H 8). Регистрираната заредена частица влиза в кристала и

се инхибира в него, възбуждащи и йонизиращи атоми. Последните, преминавайки в основно състояние, излъчват фотони. Всичко това по време на поръчката 10 -7 с. В добрите кристали няколко процента от енергията на частицата се превръща в светлина. Кристалът в детектора е заобиколен от рефлектор, така че светлината излиза само от едната страна.

За регистриране на слаби светкавици, използвайте фотоумножители(PMT) (фиг. 6). Създава се оптичен контакт между сцинтилатора и края на PMT. Фотоните на светкавицата поради фотоефекта (виж лекцията) избиват електрони от фотокатода (1), направен под формата на най-тънкия филм от вътрешната страна на колбата за ФУП. Тези електрони се насочват от фокусиращо електрическо поле към междинен електрод (2), наречен динод. повърхност

Динодът е покрит с материал с висок коефициент на вторична електронна емисия. Всеки падащ електрон избива 3 до 5 вторични електрона. Във фотоумножителя има повече от 10 диноди, което прави възможно засилването на потока от електрони в 10 5 и повече пъти. На анода на фотоумножителя (8) се появява електрически импулс, който допълнително се усилва и записва. Забележителна характеристика на PMT е неговата добре поддържана линейност на усилване. Еквивалентната схема на сцинтилационния детектор е показана на фиг. 7. Уравнението, описващо формата на вълната, е дадено по-горе (вижте формула (1)). Времевата зависимост на тока в това уравнение се определя от динамиката на излъчването на сцинтилатора и изглежда така

където τ е времето на осветяване на сцинтилатора. За неорганичните сцинтилатори това време е от порядъка на 10 -7 с, за органични - 10 -8 с, за пластмаса идва към 10 -9 с. Амплитуда на импулса със загуба на енергия в сцинтилатора ΔEприблизително равни

където η - светлинна мощност на сцинтилатора (фракция от енергията, излъчвана под формата на светлина, за антрацен 0,05), ε е квантовият добив на фотокатода на PMT (средният брой фотоелектрони, избити на фотон е около 0,1), К- печалба на PMT ( 10 5 и още), hυе средната енергия на фотоните, произведени в сцинтилатора, ° С- капацитетът на PMT анода спрямо земята (стойност от порядъка на 20 pF), де зарядът на електрона. Ако вземем типичните стойности за изброените количества и енергията на частица, загубена в детектора, 5 MeV, тогава амплитудата

Фиг. 8 Типична форма на спектъра на Cs-137

получаваш около 10 волта.

Енергийна разделителна способност на сцинтилационни детектори ΔE / Eобикновено не по-добре от няколко процента, тъй като образуването на един фотоелектрон изисква енергия hν / (η ε)равно на около 500 eV (сравнете с 30 eV за йонизационната камера).

Откриването на протона в лабораторията на Ръдърфорд (1919) става чрез наблюдение на сцинтилациите, причинени от частици в ядрена реакция α + 14 N → p + 17 O... Сцинтилационните броячи могат да измерват енергийните спектри на електроните и γ -лъчи (на фиг. 8, формата на спектъра за моноенерг γ -количества). Те се използват за измерване на мощността на дозата β - и γ -радиация, както и неутрони. Предимства на сцинтилационните броячи: висока ефективност на регистриране на различни частици (почти 100%); високоскоростна производителност; възможността за производство на сцинтилатори с различни размери и конфигурации; висока надеждност.

Големите обеми сцинтилатори дават възможност за създаване на детектори с много висока ефективност за откриване на частици с малко напречно сечение за взаимодействие с материята (детектор с кристал NaJ (Tl) 0,75 m в диаметър и 1,5 m дължина, наблюдавани от голям брой PMTs). В известния експеримент на Рейнс и Коен за откриването на неутрино (1956 г.) са използвани три течни сцинтилатора с обем от 1400 литра всеки.

Първият сцинтилационен детектор, наречен спинтарископ, беше екран, покрит със слой ZnS. Светкавиците, които се появяват, когато заредени частици го ударят, са записани с помощта на микроскоп. Именно с такъв детектор Гайгер и Марсдън провеждат експеримент за разсейване на алфа частици от златни атоми през 1909 г., което води до откриването на атомното ядро. От 1944 г. светлинните светкавици от сцинтилатора се записват от фотоумножители (ФУТ). По-късно за тези цели се използват и фотодиоди.
Сцинтилаторът може да бъде органичен (кристали, пластмаси или течности) или неорганичен (кристали или чаши). Използват се и газообразни сцинтилатори. Антрацен (C 14 H 10), стилбен (C 14 H 12) и нафталин (C 10 H 8) често се използват като органични сцинтилатори. Течните сцинтилатори са широко известни с търговски марки (напр. NE213). Пластмасовите и течните сцинтилатори са разтвори на органични флуоресцентни вещества в прозрачен разтворител. Например, твърд разтвор на антрацен в полистирол или течен разтвор на р-терфенил в ксилен. Концентрацията на флуоресцентното вещество обикновено е ниска и откритата частица възбужда главно молекулите на разтворителя. Впоследствие енергията на възбуждане се прехвърля към молекулите на флуоресцентното вещество. ZnS, NaI (Tl), CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 се използват като неорганични кристални сцинтилатори,
LaBr 3 (Ce), PbWO 4 и др. Като газови и течни сцинтилатори се използват инертни газове (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Тъй като молекулярните нива се възбуждат в органични сцинтилатори, които излъчват в ултравиолетовата област, за да съответстват на спектралната чувствителност на устройствата за откриване на светлина (PMT и фотодиоди), се използват светлинни преобразуватели, които абсорбират ултравиолетовата радиация и повторно излъчват видима светлина в 400 nm регион.
Светлинна мощност - частта от енергията на регистрираната частица, преобразувана в енергията на светкавицата. Светлинна мощност на антрацена ~ 0,05 или 1 фотон на 50 eV за частици с висока енергия. NaI има светлинна мощност от ~ 0,1 или 1 фотон на 25 eV. Прието е светлинната мощност на този сцинтилатор да се сравнява със светлинната мощност на антрацена, който се използва като стандарт. Типичните светлинни мощности на пластмасовите сцинтилатори са 50-60%.
Интензитетът на светкавицата е пропорционален на енергията, загубена от частицата, следователно сцинтилационният детектор може да се използва като спектрометър, т.е. устройство, което определя енергията на частица.
Сцинтилационните броячи могат да измерват енергийните спектри на електроните и γ -лъчи. За измерване на спектрите на тежко заредени частици ( α -частици и др.) обикновено използват CsI. В сравнение с NaI, той е значително по-малко хигроскопичен и не изисква защитен кожух, в който заредените частици губят своята енергия. Енергийната разделителна способност на CsI е забележимо по-лоша от тази на полупроводниковите детектори; в допълнение, пропорционалността на интензитета на изблик на загубена енергия в сцинтилаторите не се наблюдава при всички енергии на частиците и се проявява само при енергии, по-големи от определена стойност. Нелинейната връзка между амплитудите на импулса и енергията на частиците е различна за различните люминофори и за различните видове частици. CsI се използва, когато са необходими измервания на енергии на заредени частици с доста високи енергии, а енергийната разделителна способност не играе съществена роля.
Във физиката на високите енергии се използват сцинтилатори с оловен волфрамат (PbWO 4). Малък радиационна дължина (0,89 см) иМалкият радиус на Молиер (2,19 см) - радиусът на цилиндъра, в който се абсорбира 90% от електромагнитния душ - позволява да се направи детектор с такъв сцинтилатор, компактен с добра пространствена разделителна способност. По-специално PbWO 4 беше използван за калориметър с висока разделителна способност (17920 канала за откриване) - фотонен детектор PHOS на детекторния комплекс ALICE в Големия адронен колайдер.

Ориз. 3. PMT устройство

Фотоните, генерирани в сцинтилатора под действието на заредена частица, достигат фотоумножителната тръба през влакното и влизат във фотокатода през неговата стъклена стена. Фотоумножител е балон, вътре в който във вакуум са разположени фотокатод и система от последователни диноди, които са под положителен електрически потенциал, нарастващ от динод на динод. В резултат на фотоефекта електроните излизат от фотокатода, които след това се ускоряват в електрическо поле и се насочват към динодната система, където поради вторична (шокова) електронна емисия образуват електронна лавина, която расте от динод до динод и пристига до анода. Обикновено усилването на PMT (броят на електроните, достигащи до анода, когато един електрон е избит от фотокатода) е 10 5 -10 6, но може да достигне 10 9, което прави възможно получаването на лесно откриваем електрически импулс при PMT изход.
Енергийната разделителна способност на сцинтилационните детектори ∆E / E обикновено не е по-добра от няколко процента. Времевата разделителна способност зависи от продължителността на светкавицата (времето на излъчване на фосфора), от продължителността на предната част на светкавицата, както и от броя на фотоелектроните (от енергията, оставена от частицата в сцинтилатор) и варира в рамките на 10 -6 -10 -11 s.
Големите обеми сцинтилатори правят възможно създаването на детектори с много висока ефективност за откриване на частици с малко напречно сечение за взаимодействие с материята.

Сцинтилационните детектори позволяват решаването на двата основни проблема на експерименталната ядрена физика: проблем с броенето на радиация и проблем с радиационната спектрометрия ... По отношение на решаването на тези проблеми, различни характеристики на сцинтилационните детектори, разгледани по-долу, са от съществено значение.

Много важно свойство на всеки детектор е ефективност на регистрацията (виж стр. 5.1 „Въведение във физическата практика“). Тъй като процесите на взаимодействие на ядреното лъчение с материята имат вероятностен характер, ефективността на детектора, определена от вероятността частица, попаднала в обема на детектора, да бъде открита, се оказва най-общо казано бъде по-малко от единица. По този начин процентът на регистрация ( скорост на броене ) по принцип е по-малко от интензитета на излъчване на детектора. Повишаване на ефективността може да се постигне чрез подходящ избор на детекторно вещество с високо съдържание на многоелектронни атоми и увеличаване на неговия размер. В същото време това води до увеличаване на вероятността от пълна загуба на енергия на открита частица в обема на детектора, което определя възможността и качеството на спектрометричните измервания. От тази гледна точка сцинтилационните детектори с твърди сцинтилатори имат значително предимство, например в сравнение с броячите на Гайгер-Мюлер, особено при регистриране  - радиация. За NaJ (Tl) кристали, които имат висока плътност и съдържат многоелектронни йодни атоми, напречните сечения на фото- и ефекта на Комптон са големи, така че ефективността на откриване  - квантите с такива сцинтилатори достигат няколко десетки процента (за особено големи кристали на сцинтилатори с кухина вътре, в които  - източници или други радиоактивни проби, ефективността на регистрация се доближава до 100%).

Най-важната характеристика на сцинтилационния детектор в сравнение, например, с брояча на Гайгер-Мюлер, е способността му да решава не само проблема с броенето, но и проблема с радиационната спектрометрия.Както бе отбелязано по-горе, амплитудата на импулса Vна анода на PMT е пропорционална на енергията на откритата частица Есъс съотношение на страните К, т.е. V = К Е. Стойността на коефициента на пропорционалност K се определя от свойствата на самия детектор и неговите захранващи напрежения(с увеличаване на високото напрежение на фотоумножителя се увеличават вторичната електронна емисия и съответно амплитудата на изходния сигнал). Количеството Кпри оптимално работно напрежение, PMT може лесно да се установи чрез сравняване на амплитудата на сигнала от излъчване с известна енергия. С известната стойност на K на дадения сцинтилационен детектор при неговото работно напрежение и измерената (например на осцилоскоп) стойност на амплитудата на сигнала на детектора е лесно да се установи енергията на частиците (квантите) на засеченото излъчване .Прогнозна стойност Кза конвенционални сцинтилационни детектори, вкл. и за детектора на тази лабораторна работа, от порядъка на 10 –5 V / eV.

Посочената пропорционалност или спектрометрични свойства на детектора са ограничени както за сцинтилационния сензор, така и като цяло за всеки спектрометричен детектор, т.нар. енергийна разделителна способност , поради факта, че процесите на преобразуване на енергията на частица в изходен сигнал имат вероятностен характер. Основният принос към статистическия характер на коефициента на преобразуване на сцинтилационен детектор Квъвеждат флуктуации при образуването на сцинтилационни фотони и флуктуации в броя на фотоелектроните, излъчвани от фотокатода на фотоумножителя. Освен това голям принос за разпространението имат чисто практически причини като нехомогенност в състава и структурата на сцинтилатора и фотокатода, ръбовия ефект на сцинтилатора, в резултат на което откритите частици или вторични електрони напускат сцинтилатора , като загуби само част от енергията в него, промени в усилването на PMT при колебания на захранващото напрежение и др. Поради това, дори при регистриране на моноенергийно излъчване, амплитудите на импулсите на изхода на детектора дават определено (приблизително гаусово) разпределение около средната стойност, съответстваща на енергията на частиците на излъчване(виж фиг. стр. 5.4 "Въведение във физическата практика") . Посоченото разпределение характеризира енергийната разделителна способност на детектора, което определя възможността за разграничаване на частици с близка енергия.

Недостатъците на спектрометричните свойства на сцинтилационните детектори включват относително ниската енергийна разделителна способност в сравнение, например, с полупроводниковите детектори (≈ 10% при средни енергии γ -количества; за полупроводникови детектори от порядъка на 1 - 2%), както и сложността на обработката на спектрите, получени със сцинтилационен спектрометър. Дори в най-простия случай, когато нуклидът излъчва γ - кванти със същата енергия, спектърът има доста сложна форма (виж лаборатория № 8 по гама спектрометрия). Въпреки това, за решаването на много приложни проблеми, тези недостатъци не са съществени.

Трябва да се отбележи, че сцинтилационните детектори, поради високото усилване на фототока от фотоумножителя, произвеждат изходни сигнали с не много малка амплитуда (приблизително от десети от волта до няколко волта), което опростява тяхната обработка от измервателно оборудване, но все още изисква известно усилване.

Нашите задачи:да се запознаят с основните видове детектори за ядрени лъчения.

Детекторите за ядрени лъчения са устройства за регистриране на алфа и бета частици, рентгеново и гама лъчение, неутрони, протони и др. Те се използват за определяне на състава на радиацията и измерване на нейния интензитет, измерване на енергийния спектър на частиците, изследване на процесите на взаимодействие на бързи частици с атомни ядра и процесите на разпад на нестабилни частици. Регистрацията се основава на процесите на взаимодействие на радиацията с материята.

Всички детектори на ядрено лъчение могат да бъдат разделени на три групи: броячи на частици, детектори за следи и детектори, в които всякакви измерими свойства се променят под въздействието на радиация.

Основните характеристики на детектора са ефективност (вероятността за откриване на частица, когато тя влезе в детектора), времева разделителна способност (минималното време, през което детекторът записва две частици като отделни) и мъртво време или време за възстановяване (времето през което детекторът след откриване на частица или като цяло губи способността си да регистрира следващата частица, или значително влошава характеристиките си). Ако детекторът определя енергията на частицата и (или) нейните координати, тогава той се характеризира и с енергийната разделителна способност (точността на определяне на енергията на частицата) и пространствената разделителна способност (точността на определяне на координатите на частицата) .

Импулсна йонизираща камера

регистрацията е в ход. Вътрешното съпротивление на камерата е много високо и тя е източник на ток (токът във външната верига е практически независим от съпротивлението на последната). Уравнение за напрежение U (t)на съпротива Р(и, разбира се, на контейнера ° С, това е капацитетът на камерата) е както следва:

Зависимост на тока във веригата от времето то)се определя от местоположението на траекторията на частиците в камерата. В най-простия случай, когато траекторията е успоредна на камерните плочи (както е на фигурата), токът е постоянен, докато йоните, образувани от откритата частица, достигнат до електродите (фиг. 2). Решението на уравнение (1) в този случай

където t 0време за събиране на зарядните носители. Формата на импулса е показана на фиг. 3. Обикновено камерата е пълна с инертен газ, в който

при йонизация се образуват положителен йон и електрон. Те събират електрони, които имат голяма подвижност и осигуряват скоростта на камерата. Амплитудата на импулса е пропорционална на загубата на енергия на заредена частица в обема на камерата ΔE

Тук ω - работата по образуването на една двойка йони (~ 25 eV за аргон). Няма проблеми с усилването и регистрирането на импулси с такава амплитуда. Енергийната разделителна способност (точността на определяне на стойността на енергията на регистрирана частица) се определя от разпространението на амплитудите, което от своя страна зависи от броя на образуваните йонни двойки н, което е произволно, колебания на числото нпоръчка √N

и е приблизително 1%. Импулсните йонизационни камери се използват за регистриране на тежки заредени частици (протони, α -частици ...), чийто обхват е малък и може да се побере в обема на камерата.

Пропорционален брояч

Енергията на електроните в йонизационната камера не може да бъде измерена: енергията на електрона трябва да е малка, за да може обхватът да се побере в обема на камерата, но тогава амплитудата на импулса ще бъде микроволта. Приложи усилване на газта.

Газовото усилване е увеличаване на броя на свободните заряди в обема на детектора поради факта, че първичните електрони по пътя си към анода във високи електрически полета придобиват енергия, достатъчна за ударна йонизация на неутралния

атоми на работната среда на детектора (за това е необходимо на свободния път λ в електрическо поле със сила Е електронът получава енергия, по-голяма от енергията на йонизацията на атома д Еλ> Е йон). Получените нови електрони от своя страна имат време да придобият енергия, достатъчна за ударна йонизация. Така нарастващата електронна лавина ще се придвижи към анода. Коефициентът на усилване на газа може да достигне 10 3 - 10 4. Името на брояча отразява факта, че в това устройство амплитудата на токовия импулс (или общия събран заряд) остава пропорционална на енергията, изразходвана от заредена частица за първичната йонизация на детекторната среда. По този начин пропорционалният брояч е в състояние да изпълнява функциите на спектрометър, точно като йонизационна камера.

В пропорционалния брояч цилиндърът обикновено служи като катод, а тънка (10-100 μm) метална нишка, опъната по оста на цилиндъра като анод (виж фиг. 4). Разпределение на силата на полето Епо радиуса изглежда така:

Тоест условията за ударна йонизация са изпълнени само в тясна област близо до анода. В останалата част, по-голямата част от обема, електроните просто се движат към анода. Така се постига независимост на амплитудата на импулса от траекторията на полета в брояча. Газовият разряд не е самоподдържащ се, т.е. така че да изгасне, когато външната йонизация спре.

Пропорционалните броячи се използват главно за измерване на нискоенергийно излъчване (от порядъка на десетки килоелектрон-волта). Пропорционалният брояч може да се използва и за регистриране на неутрони, когато се пълни, например, с BF газ. Неутроните се регистрират чрез реакционни продукти n + B → Li + He(с освобождаване на енергия от 2,8 MeV), чието ефективно напречно сечение е много голямо.

Брояч на Гайгер-Мюлер

Броячите на Гайгер-Мюлер са най-често срещаните детектори на йонизиращо лъчение. Газовият разряд в тях е независим, т.е. такава, че след като е възникнала, ще съществува без външна йонизация, ако не се вземат мерки за нейното гасене. Конструктивно броячът на Гайгер е проектиран по същия начин като пропорционалния брояч, т.е. представлява цилиндричен кондензатор, пълен с инертен газ (фиг. 4). Положителен потенциал се прилага към вътрешния електрод (тънка метална нишка), а отрицателен потенциал се прилага към външния. Функционално броячът на Гайгер също повтаря основно пропорционалния брояч, но се различава от последния по това, че поради по-голямата потенциална разлика между електродите работи в такъв режим, когато е достатъчно появата на един електрон в обема на детектора за да се развие мощен лавиноподобен процес, причинен от вторична йонизация.

При пропорционален уред газовият разряд се развива само в част от обема на газа. В него частицата произвежда първична йонизация, а след това и лавина от електрони. С увеличаване на напрежението (стотици волта в брояч на Гайгер-Мюлер) критичната област се разширява. Възбудените молекули и йони на газа излъчват фотони, които поради фотоефекта изтеглят електрони от катода. Последните пораждат нови лавини от електрони в обема на брояча, незаети от газовия разряд от първичната йонизация. Електроните могат да бъдат избити от катода от положителни йони по време на неутрализация, тъй като йонизационната енергия на атомите винаги е по-голяма от работната функция на метала на катода. Възниква независимо изхвърляне, за което трябва да се вземат допълнителни мерки за гасене. Например, добавяне на многоатомни газове (пара етилов алкохол) към тръбата. Алкохолните пари интензивно абсорбират фотони с енергия, достатъчна за изхвърляне на фотоелектрони. В този случай молекулата се възбужда и дисоциира, без да излъчва електрони. Аргоновите йони, сблъскващи се с алкохолни молекули, се неутрализират. Полученият алкохолен йон на катода се разпада, без да издърпва електрон.

Броячи с многоатомни газове се наричат самозагасващ се... В несамозагасяващите се измервателни уреди, за да се гаси газовият разряд, към анодната верига е свързано съпротивление на натоварване с високо съпротивление (от порядъка на I0 8 - 10 9 Ohm). Противотоковият импулс, причинен от движението на йони, създава голям спад на напрежението в това съпротивление, така че напрежението на анода на брояча намалява значително и разрядът спира.

В броячите на Гайгер-Мюлер (със самостоятелен разряд) амплитудата на изходния импулс достига десетки волта и не зависи от първоначалната йонизация. Това устройство е подходящо само за броене на частици. Времето за разрешаване на тези броячи е доста дълго: 10 -3 - 10 -5 s.

Важна техническа характеристика на брояча на Гайгер-Мюлер е характеристика на броене- зависимост на броя на показанията от приложеното напрежение (фиг. 5). Тази характеристика е под формата на крива с много широк, почти хоризонтален участък, наречен плато. Броенето започва с известно напрежение U 1от при по-ниски стойности електрическото поле е недостатъчно за иницииране на електрически разряд. Колкото по-широко е платото и по-малък е наклонът му, толкова по-добър е броячът. Работните напрежения се избират в рамките на плато, за да се намалят ефектите от нестабилността на захранването.

Сцинтилационен детектор

Фиг. 8 Типична форма на спектъра на Cs-137

получаваш около 10 волта.

Полупроводников детектор (PPD)

Полупроводниковият детектор работи като йонизационна камера с тази разлика, че йонизацията се случва не в газовата междина, а в дебелината на кристала. Най-разпространени са полупроводниковите детектори от силициеви и германиеви кристали. В кристала, поради наличието на региони с н- и стр-проводимостта създава област, изчерпана с носители (в която електрони и дупки се рекомбинират). стр- слоят е свързан към отрицателния електрод, н-слой към положителен. Всички носители се изтеглят от преходния слой, диодът е заключен. Веднъж в тази област, заредена частица причинява йонизация, съответно електроните се появяват в лентата на проводимост, а дупките се появяват във валентната зона. Под действието на напрежение, приложено към електродите, отложени върху повърхността на чувствителната зона, възниква движението на електрони и дупки и се образува токов импулс. Към полупроводниковия кристал се прилага напрежение до няколко kV, което осигурява събирането на всички заряди, образувани от частицата в обема на детектора. Имайте предвид, че в действителност положително заредените дупки не могат да се движат в кристално твърдо вещество. Това, което всъщност се случва е следното: дупките се запълват със съседни електрони, които се движат в обратна посока, оставяйки след себе си нови дупки. Така че дупките изглежда се движат.

Енергията, изразходвана за образуване на двойка електрон-дупка в полупроводников детектор, е приблизително 10 пъти по-малка от енергията на образуване на електронно-йонна двойка в газове. Следователно, при пълно забавяне на една и съща частица в импулсна камера и полупроводников детектор, амплитудата на импулса в последния е приблизително 10 пъти по-голяма.

Подвижността на електроните и дупките, а оттам и времето на събирането им в електродите на детектора се различават не повече от 3 пъти. Това позволява пълното събиране както на електрони, така и на дупки. Времето за събиране на електрони и дупки в SCD е 20–100 ns и е много по-кратко от времето за събиране на йони в IR. Следователно SPD имат добра производителност или ниско време на разделителна способност.

Поради ниската енергия на образуване на двойка електрон-дупка, SPD имат много добра енергийна разделителна способност, за германиеви детектори, около 0,1%. Фигура 10 показва резултата от измерването на спектъра γ -радиация 133 Baсцинтилационен детектор и полупроводник.

Фиг. 11 Конструкция на силициев микролентов детектор

Полупроводниковите микролентови детектори се използват за точно определяне на координатите на частиците. Те представляват пластини от монокристал от силиций, върху едната от повърхностите на които са поставени тънки електроди (ленти), разположени един от друг на разстояние ~ 20 μm, а другата е покрита с метален слой (фиг. 11). ). В зависимост от това къде се удари заредената частица, сигналът се отстранява от различни ленти. Пространствената разделителна способност на микролентовите детектори достига 10 микрона. Временна резолюция - 10 -8 s.

Недостатъкът на PPD е малкият размер на чувствителната област, което не позволява използването им за измерване на високоенергийни частици.

Характерните свойства на радиационните броячи могат да бъдат обобщени в таблица.

Характеристики на измервателния уред

	Ефективност, %	Енергия разрешение, %	Разрешително време
Импулсна йонизираща камера		1 ÷ 3	10 -5
Пропорционален брояч		~ 1	10 -6
Брояч на Гайгер	~ 5	—	10 -4
Сцинтилационен детектор	~ 100	5 ÷ 10	10 -9
Полупроводников детектор	~ 100 10 за γ -радиация	0.1	10 -8

Детектори за следи

Детекторите за следи записват следата, оставена от откритата частица в работното вещество. Геометрията на пистите определя броя на заредените частици, участващи в реакцията, и посоката на тяхното движение. Дебелина на пистатасе определя от енергийните загуби на частицата за единица път, които зависят от заряда и скоростта на частицата. Ако пистата се вписва в работния обем на детектора, тогава се определя дължината на пистата пробегчастица, в зависимост от енергията на частицата, нейния заряд и маса. Rms ъгъл на разсейванезависи от заряда, скоростта и импулса на частицата. И накрая, ако детекторът е поставен в магнитно поле, радиус на кривинаследа определя съотношението на импулса към заряда на частиците. Богатата информация за свойствата на една частица дава възможност да се определят не само характеристиките, но и вида на регистрираната частица.

Има няколко вида детектори за следи:

Ядрени фотоемулсии

Във фотографската емулсия заредените частици оставят видими следи, които могат да бъдат проучени в детайли след проявяването. Значителната плътност на емулсията (около 3,8 g / cm 3) прави възможно спирането на частици с доста висока енергия в нея. Поради малкия размер на развитите зърна на фотографския материал (~ 0,6 μm), емулсията позволява да се получи отлична ъглова и пространствена разделителна способност.

Историята на използването на фотографски емулсии за регистриране на ядрени частици започва с наблюдението от Бекерел през 1896 г. на почерняването на фотографските плочи в присъствието на уранови съединения, което води до откриването на явлението радиоактивност (виж лекцията). Ядрените емулсии се различават от обикновените по голямата дебелина на чувствителния слой - до няколкостотин микрона. Ядрените емулсии, подобно на обикновените светлочувствителни, се състоят от желатин и суспендирани частици от кристален сребърен бромид (AgBr) с размер до 0,3 микрона. Заредените частици, преминавайки през емулсионния слой, йонизират атомите, лежащи по пътя им. Резултатът е разлагането на сребърния бромид и образуването на центрове на латентното изображение. При последващо развитие в емулсията се образуват най-малките зърна метално сребро с размер до ~ 1 μm, които се наблюдават под микроскоп под формата на точки с различно съдържание на мазнини. Пътят на частиците има формата на верига от такива точки със средно разстояние между тях не повече от 5 μm. По естеството на тази писта (концентрация на точки и отклонение от праволинейността) може да се идентифицира типът на частицата.

От 1945 до 1955 г. са направени важни открития по метода на ядрените фотографски емулсии: π -мезони и разпадни последователности на протони и мюони, както и открити ядрени взаимодействия на антипротони и K - -мезони. Съставът на първичното космическо излъчване е изследван по метода на ядрените емулсии, освен протони, в него са открити ядра Неи по-тежки елементи, до Fe.

Сложността на използването на ядрени фотографски емулсии е свързана с техния сложен състав (неопределеността на целевото ядро). Към днешна дата ядрените емулсии се заменят с балонни и искрови камери и електронни детектори за частици.

камера на Уилсън

В камерата на Уилсън пистата на частиците се образува от верига от малки течни капчици по траекторията на нейното движение. Изобретен през 1912 г. През 1927г. Ч. Уилсън е удостоен с Нобелова награда.

Дрифтова камера.

Това е аналог на пропорционална камера, която позволява да се реконструира траекторията на частиците с още по-голяма точност.

Искрови, стримерни, пропорционални и дрейфови камери, притежаващи много от предимствата на балонните камери, им позволяват да бъдат задействани от събитие, представляващо интерес, като се използват за съвпадение със сцинтилационни детектори.

Дрейф камерата е координатен детектор. Това е проводен йонизационен детектор, напълнен с газ (като пропорционална камера), в който координатата на частица се определя от времето на дрейф на електроните в газа от мястото на йонизация (полет на частици) до сигналните анодни проводници. Разстоянието между проводниците обикновено е няколко сантиметра. За разлика от пропорционалната камера, в дрейфната камера се създава еднородно електрическо поле. Задейства се от пускови сигнали от външни детектори (най-често сцинтилационни броячи), които записват полета на частица през камерата. Освен това свободните електрони, които се появяват в обема на камерата, се отклоняват в равномерно и постоянно поле към най-близките проводници. Силата на полето в междината на дрейфа е 1 kV / cm. В непосредствена близост до анодните проводници се образуват лавини (усилването на газа достига 10 6), а координатите на частиците се определят от времето на закъснение на пристигането на лавини върху анодните проводници спрямо стартовия сигнал. Пространствената разделителна способност на дрейфовата камера е около 0,1-0,2 mm, а времевата разделителна способност е наносекунди.

Дрейф камерите могат да бъдат плоски, цилиндрични и сферични.Плоски дрейф камери с големи размери се използват при експерименти на високоенергийни ускорители. Например, CERN разработи дрифтова камера 2x4x5 m3.

Сцинтилационният детектор използва свойството на определени вещества да светят при преминаване на заредена частица. След това светлинните кванти, образувани в сцинтилатора, се регистрират с помощта на фотоумножители. Използват се както кристални сцинтилатори, например NaI, BGO, така и пластмасови и течни сцинтилатори. Кристалните сцинтилатори се използват основно за регистриране на гама кванти и рентгенови лъчи, пластмасови и течни - за регистриране на неутрони и измерване на времето. Големите обеми сцинтилатори правят възможно създаването на детектори с много висока ефективност за откриване на частици с малко напречно сечение за взаимодействие с материята.

Сцинтилаторът може да бъде органичен (кристали, пластмаси или течности) или неорганичен (кристали или чаши). Използват се и газообразни сцинтилатори. Антрацен (C14H10), стилбен (C14H12) и нафталин (C10H8) често се използват като органични сцинтилатори. Течните сцинтилатори са широко известни с търговски марки (напр. NE213). Пластмасовите и течните сцинтилатори са разтвори на органични флуоресцентни вещества в прозрачен разтворител. Например, твърд разтвор на антрацен в полистирол или течен разтвор на р-терфенил в ксилен. Концентрацията на флуоресцентното вещество обикновено е ниска и откритата частица възбужда главно молекулите на разтворителя. Впоследствие енергията на възбуждане се прехвърля към молекулите на флуоресцентното вещество. Като неорганични кристални сцинтилатори се използват ZnS, NaI (Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO) и др. Като газови и течни сцинтилатори се използват инертни газове (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Фиг. 1. Сравнение на два сцинтилатора

Светлинна мощност - частта от енергията на регистрираната частица, преобразувана в енергията на светкавицата. Светлинна мощност на антрацена ~ 0,05 или 1 фотон на 50 eV за частици с висока енергия. NaI има светлинна мощност от ~ 0,1 или 1 фотон на 25 eV. Прието е светлинната мощност на този сцинтилатор да се сравнява със светлинната мощност на антрацена, който се използва като стандарт. Типичните светлинни мощности на пластмасовите сцинтилатори са 50-60%.

Интензитетът на светкавицата е пропорционален на енергията, загубена от частицата, следователно сцинтилационният детектор може да се използва като спектрометър, т.е. устройство, което определя енергията на частица.

Сцинтилационните броячи могат да измерват енергийните спектри на електрони и γ-лъчи. Положението е малко по-лошо при измерването на спектрите на тежко заредени частици (-частици и др.), които създават висока специфична йонизация в сцинтилатора. В тези случаи пропорционалността на интензитета на изблик на загубена енергия не се наблюдава при всички енергии на частиците и се проявява само при енергии, по-големи от определена стойност. Нелинейната връзка между амплитудите на импулса и енергията на частиците е различна за различните люминофори и за различните видове частици.

Ориз. 2. Сцинтилатор и PMT

Ориз. 3. PMT устройство

Фотоните, генерирани в сцинтилатора под действието на заредена частица, през световода достигат фотоумножителната тръба и през нейната стъклена стена влизат във фотокатода. Фотоумножител е балон, вътре в който във вакуум са разположени фотокатод и система от последователни диноди, които са под положителен електрически потенциал, нарастващ от динод на динод. В резултат на фотоефекта електроните излизат от фотокатода, които след това се ускоряват в електрическо поле и се насочват към динодната система, където поради вторична (шокова) електронна емисия образуват електронна лавина, която расте от динод до динод и пристига до анода. Обикновено усилването на PMT (броят на електроните, достигащи до анода, когато един електрон е избит от фотокатода) е 10 5 -10 6, но може да достигне 10 9, което прави възможно получаването на лесно откриваем електрически импулс при PMT изход. Времевата разделителна способност на фотоумножителя е 10 -8 -10 -9 s.

Енергийната разделителна способност на сцинтилационните детектори ∆E / E обикновено не е по-добра от няколко процента. Времевата разделителна способност се определя главно от продължителността на светкавицата (времето на осветяване на луминофора) и варира в рамките на 10 -6 -10 -9 s.

Големите обеми сцинтилатори правят възможно създаването на детектори с много висока ефективност за откриване на частици с малко напречно сечение за взаимодействие с материята.