Detectorul cu scintilație detectează ce particule. Scintilator: detector de radiații ionizante

Scintilațiile - un cuvânt latin - sunt fulgerări de lumină vizibilă cauzate în materie de particulele încărcate. Acțiunea unui detector de scintilație se bazează pe înregistrarea fotonilor emiși de atomii excitați. Primul detector de scintilație, numit spinthariscope, era un ecran acoperit cu un strat de ZnS. Flash-urile care au apărut atunci când particulele încărcate l-au lovit au fost înregistrate cu ajutorul unui microscop. Cu un astfel de detector a fost efectuat un experiment privind împrăștierea particulelor alfa de către atomii de aur, ceea ce a dus la descoperirea nucleului atomic.

Nu orice material transparent este potrivit ca scintilator; trebuie să fie transparent la propria radiație. Acestea includ NaJ(Tl), CsI organic: antracen (C14H10), stilben (C14H12), naftalină (C10H8). Particula încărcată înregistrată intră în cristal și

încetinește în ea, atomi excitanți și ionizanți. Acestea din urmă, trecând în starea fundamentală, emit fotoni. Toate acestea pentru timpul comenzii 10 -7 Cu. În cristalele bune, câteva procente din energia particulei este transformată în lumină. Cristalul din detector este înconjurat de un reflector, astfel încât lumina să iasă doar dintr-o parte.

Pentru a înregistra fulgerări slabe, utilizați fotomultiplicatoare(PMT) (Fig. 6). Creați un contact optic între scintilator și fața de capăt a PMT. Fotonii unui fulger de lumină datorită efectului fotoelectric (vezi prelegerea) scot electronii din fotocatod (1), realizati sub forma unei pelicule foarte subțiri în interiorul becului PMT. Acești electroni sunt direcționați printr-un câmp electric de focalizare către un electrod intermediar (2), numit dinod. Suprafaţă

Dinodul este acoperit cu un material cu un coeficient ridicat de emisie de electroni secundari. Fiecare electron incident elimină 3 până la 5 electroni secundari. În total, există mai mult de 10 dinode în PMT, ceea ce face posibilă îmbunătățirea fluxului de electroni în 10 5 si de mai multe ori. La anodul PMT (8), apare un impuls electric, care este amplificat și înregistrat în continuare. O caracteristică remarcabilă a PMT este liniaritatea câștigului bine observată. Circuitul echivalent al detectorului de scintilație este prezentat în Fig.7. Ecuația care descrie forma de undă este dată mai sus (vezi formula (1)). Dependența de timp a curentului în această ecuație este determinată de dinamica emisiei scintilatorului și arată astfel

Unde τ - timpul de iluminare a scintilatorului. Pentru scintilatoarele anorganice, această dată este de ordin 10 -7 s, pentru organic - 10 -8 c, pentru plastic vine la 10 -9 Cu. Amplitudinea pulsului la pierderea energiei în scintilator ∆E aproximativ egal cu

Unde η - puterea luminoasă a scintilatorului (fracția de energie afișată sub formă de lumină, pentru antracen 0,05), ε - randamentul cuantic al fotocatodului PMT (numărul mediu de fotoelectroni eliminați la 1 foton, aproximativ 0,1), K- câștig PMT ( 10 5 și altele), hυ este energia medie a fotonilor produși în scintilator, C- capacitatea anodului PMT față de pământ (o valoare de aproximativ 20 pF), e este sarcina unui electron. Dacă luăm valorile tipice pentru cantitățile enumerate și energia particulei pierdute în detector, 5 MeV, atunci amplitudinea

Fig.8 Forma tipică a spectrului Cs-137

ai cam 10 volti.

Rezoluția energetică a detectorilor de scintilație ∆E/E de obicei, nu mai bine de câteva procente, deoarece formarea unui fotoelectron necesită energie hν/(η ε), care este de aproximativ 500 eV (comparativ cu 30 eV pentru o cameră de ionizare).

Descoperirea protonului în laboratorul lui Rutherford (1919) a avut loc prin observarea scintilațiilor cauzate de particule dintr-o reacție nucleară. α + 14N → p + 17O. Cu ajutorul contoarelor de scintilație se poate măsura spectrele energetice ale electronilor și γ -razele (în Fig. 8 forma spectrului pentru monoenergetice γ -quanta). Sunt folosite pentru a măsura rata dozei β - și γ radiații și neutroni. Avantajele contoarelor de scintilație: eficiență mare de înregistrare a diferitelor particule (practic 100%); viteză; posibilitatea de a produce scintilatoare de diferite dimensiuni și configurații; fiabilitate ridicată.

Volume mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare de foarte mare eficiență pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică de interacțiune cu materia (un detector cu un cristal). NaJ(Tl) 0,75 m în diametru și 1,5 m lungime, văzut de un număr mare de fotomultiplicatori). În celebrul experiment al lui Reines și Cohen privind descoperirea neutrinilor (1956), au fost folosite trei scintilatoare lichide cu un volum de 1400 de litri fiecare.

Primul detector de scintilație, numit spinthariscope, a fost un ecran acoperit cu un strat de ZnS. Flash-urile care au apărut atunci când particulele încărcate l-au lovit au fost înregistrate cu ajutorul unui microscop. Cu un astfel de detector, Geiger și Marsden au efectuat în 1909 un experiment privind împrăștierea particulelor alfa de către atomii de aur, care a dus la descoperirea nucleului atomic. Din 1944, fulgerele de la un scintilator au fost înregistrate de tuburi fotomultiplicatoare (PMT). Mai târziu, în aceste scopuri au fost folosite și fotodiode.
Scintilatorul poate fi organic (cristale, materiale plastice sau lichide) sau anorganic (cristale sau pahare). Se mai folosesc scintilatoare gazoase. Antracenul (C 14 H 10), stilbenul (C 14 H 12), naftalina (C 10 H 8) sunt adesea folosiți ca scintilatoare organice. Scintilatoarele lichide sunt cunoscute în mod obișnuit sub numele de marcă (de ex. NE213). Scintilatoarele din plastic și lichide sunt soluții de substanțe organice fluorescente într-un solvent transparent. De exemplu, o soluție solidă de antracen în polistiren sau o soluție lichidă de p-terfenil în xilen. Concentrația substanței fluorescente este de obicei scăzută, iar particula detectată excită în principal molecule de solvent. Ulterior, energia de excitație este transferată către moleculele substanței fluorescente. ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 sunt utilizate ca scintilatoare cristaline anorganice,
LaBr 3 (Ce), PbWO 4 etc. Gazele inerte (Xe, Kr, Ar, He) și N sunt utilizate ca scintilatoare de gaz și lichid.

Deoarece scintilatoarele organice excită nivelurile moleculare care emit în regiunea ultravioletă, pentru a se potrivi cu sensibilitatea spectrală a dispozitivelor de detectare a luminii (PMT-uri și fotodiode), se folosesc convertoare de lumină care absorb radiația ultravioletă și reemit lumină vizibilă în regiunea de 400 nm.
Ieșire de lumină - fracțiunea de energie a particulei detectate convertită în energia unui fulger de lumină. Ieșirea luminoasă a antracenului este de ~ 0,05 sau 1 foton la 50 eV pentru particule de înaltă energie. NaI are o putere de lumină de ~ 0,1 sau 1 foton la 25 eV. Se obișnuiește să se compare puterea de lumină a acestui scintilator cu puterea de lumină a antracenului, care este utilizat ca standard. Ieșirile de lumină tipice ale scintilatoarelor din plastic sunt de 50-60%.
Intensitatea fulgerului luminii este proporțională cu energia pierdută de particule, astfel încât detectorul de scintilație poate fi folosit ca spectrometru, adică un instrument care determină energia particulei.
Cu ajutorul contoarelor de scintilație se poate măsura spectrele energetice ale electronilor și γ -razele. Pentru a măsura spectrele particulelor grele încărcate ( α -particule etc.) folosesc de obicei CsI. În comparație cu NaI, este semnificativ mai puțin higroscopic și nu necesită o carcasă de protecție în care particulele încărcate își pierd energia. Rezoluția energetică a CsI este vizibil mai slabă decât cea a detectorilor cu semiconductor; în plus, proporționalitatea intensității fulgerului energiei pierdute în scintilatoare nu se observă deloc energiile particulelor și se manifestă doar la energii mai mari decât o anumită valoare. Relația neliniară dintre amplitudinile pulsului și energia particulelor este diferită pentru diferiți fosfori și pentru diferitele tipuri de particule. CsI este utilizat atunci când sunt necesare măsurători ale energiilor particulelor încărcate de energii destul de mari, iar rezoluția energetică nu joacă un rol semnificativ.
Scintilatoarele cu tungstat de plumb (PbWO 4) și-au găsit aplicații în fizica energiilor înalte. mic lungimea radiaţiei (0,89 cm) şi raza Molière mică (2,19 cm) – raza cilindrului în care se absoarbe 90% din dușul electromagnetic – face posibilă realizarea unui detector cu un astfel de scintilator compact cu rezoluție spațială bună. În special, PbWO 4 a fost folosit pentru un calorimetru puternic secționat (17920 de canale de detectare), detectorul de fotoni PHOS al complexului de detectoare ALICE de la Large Hadron Collider.

Orez. 3. Dispozitiv PMT

Fotonii generați în scintilator sub acțiunea unei particule încărcate ajung la fotomultiplicator prin ghidajul de lumină și prin peretele său de sticlă intră în fotocatod. Fotomultiplicatorul este un balon, în interiorul căruia se află în vid un fotocatod și un sistem de dinozi succesivi, care se află sub un potențial electric pozitiv crescând de la dinod la dinod. Ca urmare a efectului fotoelectric, electronii zboară din fotocatod, care, apoi, fiind accelerați într-un câmp electric, sunt direcționați către un sistem de dinode, unde, datorită emisiei secundare (de șoc) de electroni, formează o avalanșă de electroni. crescând de la dinod la dinod, care ajunge la anod. De obicei, câștigul PMT (numărul de electroni care au ajuns la anod atunci când un electron a fost scos din fotocatod) este 10 5 -10 6 , dar poate ajunge la 10 9 , ceea ce face posibilă obținerea unui impuls electric ușor de înregistrat la ieșirea PMT.
Rezoluția energetică a detectorilor de scintilație ΔE/E nu este de obicei mai bună decât câteva procente. Rezoluția temporală depinde de durata fulgerului luminii (timpul de luminescență al fosforului), de durata frontului fulgerului luminii și, de asemenea, de numărul de fotoelectroni (de energia lăsată de particule în scintilator) și variază în interval de 10 -6 -10 -11 s.
Volumele mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare de foarte mare eficiență pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică de interacțiune cu materia.

Detectoarele de scintilație fac posibilă rezolvarea ambelor probleme principale ale fizicii nucleare experimentale: problemă de numărare a radiațiilor și problema spectrometriei radiatiilor . În ceea ce privește rezolvarea acestor probleme, diferite caracteristici ale detectorilor de scintilație considerate mai jos sunt de mare importanță.

O proprietate foarte importantă a oricărui detector este eficienta inregistrarii (vezi paragraful 5.1 „Introducere în practica fizică”). Întrucât procesele de interacțiune a radiației nucleare cu materia sunt de natură probabilistică, eficiența detectorului, determinată de probabilitatea ca o particulă care a intrat în volumul detectorului, să fie detectată, se dovedește a fi, în general, mai mică decât unitate. Astfel, intensitatea înregistrării ( rata de numărare ) este în principiu mai mică decât intensitatea iradierii detectorului. O creștere a eficienței poate fi realizată prin selectarea adecvată a materialului detector cu un conținut ridicat de atomi multielectroni și prin creșterea dimensiunii acestuia. În același timp, aceasta duce la o creștere a probabilității pierderii totale de energie a particulei detectate în volumul detectorului, ceea ce determină posibilitatea și calitatea măsurătorilor spectrometrice. Din acest punct de vedere, detectoarele de scintilație cu scintilatoare solide au un avantaj semnificativ, de exemplu, în comparație cu contoarele Geiger-Muller, mai ales la înregistrare.  -radiații. Pentru cristalele de NaJ(Tl), care au o densitate mare și conțin atomi de iod multielectroni, secțiunile transversale cu efect foto și Compton sunt mari, astfel încât eficiența detectării  -quanta de către astfel de scintilatoare ajunge la câteva zeci de procente (pentru cristale deosebit de mari de scintilatoare cu o cavitate în interior, în care  -surse sau alte probe radioactive, randamentul detectiei se apropie de 100%).

Cea mai importantă caracteristică a unui detector de scintilație în comparație, de exemplu, cu un contor Geiger-Muller, este capacitatea sa de a rezolva nu numai problema numărării, ci și problema spectrometriei radiațiilor. După cum sa menționat mai sus, amplitudinea pulsului V la anodul PMT este proporțională cu energia particulei detectate E cu factor de proporţionalitate K, adică V=K E. Valoarea coeficientului de proporționalitate K este determinată de proprietățile detectorului însuși și de tensiunile care îl alimentează(cu creșterea tensiunii înalte pe PMT, crește emisia de electroni secundari și, în consecință, amplitudinea semnalului de ieșire). Valoare K la tensiunea optimă de funcționare, PMT poate fi determinat cu ușurință prin compararea amplitudinii semnalului de la radiația unei energii cunoscute. Cu o valoare cunoscută a K a unui detector de scintilație dat la tensiunea sa de funcționare și o amplitudine a semnalului detectorului măsurată (de exemplu, folosind un osciloscop), este ușor să se determine energia particulelor (quanta) radiației detectate. Valoarea estimată K pentru detectoare convenționale cu scintilație, incl. iar pentru detectorul acestei lucrări de laborator, aproximativ 10 –5 V/eV.

Proporționalitatea sau proprietățile spectrometrice indicate ale detectorului sunt limitate atât pentru senzorul de scintilație, cât și, în general, pentru orice detector spectrometric, așa-numitul rezoluție energetică , datorită faptului că procesele de transformare a energiei particulelor într-un semnal de ieșire sunt de natură probabilistică. Contribuția principală la natura statistică a coeficientului de conversie al detectorului de scintilație K introduce fluctuații în formarea fotonilor de scintilație și fluctuații ale numărului de fotoelectroni emiși de fotocatodul PMT. În plus, o mare contribuție la răspândire este adusă din motive pur practice, cum ar fi neomogenitățile în compoziția și structura scintilatorului și fotocatodului, efectul de margine al scintilatorului, ca urmare a căruia particulele detectate sau electronii secundari depășesc scintilator, pierzând doar o parte din energia din el, modificări ale câștigului PMT în timpul oscilațiilor tensiunii de alimentare etc. În acest fel, chiar și la înregistrarea radiației monoenergetice, amplitudinile pulsului la ieșirea detectorului dau o anumită distribuție (aproximativ gaussiană) în jurul valorii medii corespunzătoare energiei particulelor de radiație(vezi Fig. p. 5.4 „Introducere în practica fizică”) . Această distribuție caracterizează rezoluția energetică a detectorului, ceea ce determină posibilitatea de a distinge particulele de energie similară.

Printre deficiențele proprietăților spectrometrice ale detectorilor de scintilație se numără rezoluția relativ scăzută de energie în comparație, de exemplu, cu detectoarele cu semiconductor (≈10% la energii medii). γ -quanta; pentru detectoare cu semiconductori de ordinul 1–2%), precum și complexitatea prelucrării spectrelor obținute pe un spectrometru de scintilație. Chiar și în cel mai simplu caz, când nuclidul emite γ -quanta unei energii, spectrul are o formă destul de complexă (vezi lucrarea de laborator. Nr. 8 despre spectrometria gamma). Cu toate acestea, aceste neajunsuri nu sunt esențiale pentru rezolvarea multor probleme aplicate.

Trebuie remarcat faptul că detectoarele de scintilație, datorită amplificării mari a fotocurentului de către fotomultiplicator, dau semnale de ieșire de amplitudine nu foarte mică (de la aproximativ zecimi de volți la câțiva volți), ceea ce simplifică prelucrarea prin echipamente de măsurare, dar totuși necesită o anumită amplificare.

Sarcinile noastre: introduceți principalele tipuri de detectoare de radiații nucleare.

Detectoarele de radiații nucleare sunt dispozitive pentru detectarea particulelor alfa și beta, raze X și radiații gamma, neutroni, protoni etc. Acestea servesc la determinarea compoziției radiațiilor și măsurarea intensității acesteia, măsurarea spectrului energetic al particulelor, studierea proceselor de interacțiune a particulelor rapide cu nucleele atomice și procesele de descompunere a particulelor instabile. Înregistrarea se bazează pe procesele de interacțiune a radiațiilor cu materia.

Toți detectoarele de radiații nucleare pot fi împărțite în trei grupe: contoare de particule, detectoare de urme și detectoare, în care unele proprietăți măsurabile se modifică sub influența radiațiilor.

Principalele caracteristici ale detectorului sunt eficiența (probabilitatea de a înregistra o particule atunci când lovește detectorul), rezoluția temporală (timpul minim în care detectorul detectează două particule separate) și timpul mort sau timpul de recuperare (timpul în care detector, după înregistrarea unei particule sau pierde, în general, capacitatea de a înregistra următoarea particulă, sau înrăutățește semnificativ caracteristicile acesteia). Dacă detectorul determină energia unei particule și (sau) coordonatele acesteia, atunci se caracterizează și printr-o rezoluție energetică (precizie în determinarea energiei particulei) și rezoluție spațială (precizie în determinarea coordonatelor particulei).

Camera de ionizare pulsata

are loc înregistrarea. Rezistența internă a camerei este foarte mare și este o sursă de curent (curentul din circuitul extern este practic independent de rezistența acestuia din urmă). Ecuația tensiunii U(t) asupra rezistentei R(și, desigur, pe container C, aceasta este capacitatea camerei) este după cum urmează:

Dependența curentului din circuit de timp aceasta) este determinată de locația traiectoriei particulelor în cameră. În cel mai simplu caz, când traiectoria este paralelă cu plăcile camerei (ca în figură), curentul este constant până când ionii formați de particulele detectate ajung la electrozi (Fig. 2). Rezolvarea ecuației (1) în acest caz

Unde t0 timpul de colectare a transportatorului de taxe. Forma pulsului este prezentată în Fig. 3. De obicei, camera este umplută cu un gaz inert, în care

ionizarea produce un ion pozitiv și un electron. Ei colectează electroni, care au mobilitate mare și asigură viteza camerei. Amplitudinea pulsului este proporțională cu pierderea de energie a unei particule încărcate în volumul camerei ∆E

Aici ω - munca de formare a unei perechi de ioni (~25 eV pentru argon). Nu există probleme cu amplificarea și înregistrarea impulsurilor de o asemenea amplitudine. Rezoluția energetică (acuratețea determinării valorii energetice a particulei înregistrate) este determinată de răspândirea amplitudinilor, care, la rândul său, depinde de numărul de perechi de ioni formați. N, care este aleatoriu, sunt posibile fluctuații ale numărului N Ordin √N

și este de aproximativ 1%. Camerele de ionizare în impulsuri sunt utilizate pentru a detecta particule grele încărcate (protoni, α -particule ...), a căror gamă este mică și se poate încadra în volumul camerei.

Contor proporțional

Energia electronilor din camera de ionizare nu poate fi măsurată: energia unui electron trebuie să fie mică, astfel încât intervalul să se încadreze în volumul camerei, dar atunci amplitudinea impulsului va fi microvolți. aplica amplificarea gazelor.

Amplificarea cu gaz este o creștere a numărului de încărcări libere în volumul detectorului datorită faptului că electronii primari în drumul lor către anod în câmpuri electrice mari dobândesc energie suficientă pentru ionizarea la impact a neutrului.

atomi ai mediului de lucru al detectorului (pentru aceasta este necesar ca pe calea liberă medie λ într-un câmp electric de forță E electronul a câștigat energie, mai mare decât energia de ionizare a atomului e Eλ > E ion). Noii electroni care au apărut în acest caz, la rândul lor, au timp să dobândească energie suficientă pentru ionizarea prin impact. Astfel, o avalanșă de electroni în creștere se va deplasa spre anod. Factorul de amplificare a gazului poate ajunge la 10 3 - 10 4 . Denumirea contorului reflectă faptul că în acest dispozitiv amplitudinea impulsului de curent (sau încărcarea totală colectată) rămâne proporțională cu energia cheltuită de particulele încărcate pe ionizarea primară a mediului detector. Astfel, un contor proporțional este capabil să îndeplinească funcțiile unui spectrometru, la fel ca o cameră de ionizare.

Într-un contor proporțional, un cilindru servește de obicei drept catod, iar un fir de metal subțire (10-100 microni) întins de-a lungul axei cilindrului servește drept anod (vezi Fig. 4). Distribuția intensității câmpului E raza arata asa:

Adică, condițiile pentru ionizarea prin impact sunt îndeplinite numai într-o regiune îngustă din apropierea anodului. În restul, cea mai mare parte a volumului, electronii se deplasează pur și simplu către anod. Acest lucru realizează independența amplitudinii pulsului față de calea de zbor în contor. Evacuarea gazelor este neauto-susținută, adică. astfel încât se stinge când ionizarea externă încetează.

Contoarele proporționale sunt utilizate în principal pentru măsurarea radiațiilor cu energie scăzută (de ordinul a zeci de kiloelectronvolți). Un contor proporțional poate fi, de asemenea, utilizat pentru a detecta neutroni atunci când sunt umpluți, de exemplu, cu gaz BF. Neutronii sunt înregistrați prin produși de reacție n + B → Li + El(cu eliberare de energie de 2,8 MeV), a cărui secțiune transversală efectivă este foarte mare.

Contor Geiger-Muller

Contoarele Geiger-Muller sunt cele mai comune detectoare de radiații ionizante. Evacuarea gazelor în ele este independentă; astfel încât, după ce a apărut, va exista chiar și fără ionizare externă, cu excepția cazului în care se iau măsuri pentru a o stinge. Din punct de vedere structural, contorul Geiger este de asemenea aranjat ca un contor proportional, i.e. este un condensator cilindric umplut cu un gaz inert (Fig. 4). Un potențial pozitiv este aplicat electrodului interior (un fir subțire de metal), iar un potențial negativ este aplicat celui exterior. Din punct de vedere funcțional, contorul Geiger repetă practic și contorul proporțional, dar se deosebește de acesta din urmă prin faptul că, datorită diferenței de potențial mai mare pe electrozi, funcționează într-un astfel de mod când apariția unui electron în volumul detectorului este suficientă pentru a se dezvolta un proces puternic asemănător unei avalanșe datorită ionizării secundare.

Într-un contor proporțional, descărcarea de gaz se dezvoltă doar într-o parte a volumului de gaz. În ea, particula produce ionizare primară și apoi o avalanșă de electroni. Odată cu creșterea tensiunii (sute de volți în contorul Geiger-Muller), regiunea critică se extinde. Moleculele și ionii de gaz excitați emit fotoni, care scot electronii din catod datorită efectului fotoelectric. Acestea din urmă dau naștere la noi avalanșe de electroni în volumul contorului, neocupați de descărcarea de gaz de la ionizarea primară. Electronii pot fi scoși din catod de către ionii pozitivi în procesul de neutralizare, deoarece energia de ionizare a atomilor este întotdeauna mai mare decât funcția de lucru a metalului catodic. Apare o descărcare autonomă, pentru a cărei suprimare trebuie luate măsuri suplimentare. De exemplu, adăugarea de gaze poliatomice (vapori de alcool etilic) în tub. Vaporii de alcool absorb intens fotonii cu energii suficiente pentru a ejecta fotoelectronii. În acest caz, molecula este excitată și se disociază fără a emite electroni. Ionii de argon, care se ciocnesc cu moleculele de alcool, sunt neutralizați. Ionul de alcool rezultat de pe catod se destramă fără a scoate un electron.

Se numesc contoare cu gaze poliatomice auto-stingându-se. În contoarele care nu se stinge automat, pentru a stinge descărcarea de gaze, în circuitul anodic este inclusă o rezistență de sarcină de mare rezistență (de ordinul I0 8 - 10 9 Ω). Pulsul de curent al contorului, cauzat de mișcarea ionilor, creează o cădere mare de tensiune pe această rezistență, astfel încât tensiunea la anodul contorului scade semnificativ și descărcarea se oprește.

În contoarele Geiger-Muller (cu autodescărcare), amplitudinea impulsului de ieșire atinge zeci de volți și NU depinde de ionizarea inițială. Un astfel de instrument este potrivit numai pentru numărarea particulelor. Timpul de rezolvare pentru aceste contoare este destul de mare: 10 -3 - 10 -5 s.

O caracteristică tehnică importantă a contorului Geiger-Muller este caracteristica de numărare- dependenţa numărului de citiri de tensiunea aplicată (Fig. 5). Această caracteristică are forma unei curbe cu o secțiune foarte largă aproape orizontală, numită platou. Numărarea începe cu o oarecare tensiune U 1, deoarece la valori mai mici, câmpul electric este insuficient pentru a iniția o descărcare electrică. Contorul este mai bun, cu cât platoul este mai lat și cu atât panta este mai mică. Tensiunea de funcționare este aleasă într-un platou pentru a reduce efectul instabilității sursei de alimentare.

Detector de scintilație

Fig.8 Forma tipică a spectrului Cs-137

ai cam 10 volti.

Detector de semiconductor (SPD)

Un detector cu semiconductor funcționează ca o cameră de ionizare, cu diferența că ionizarea are loc nu în golul de gaz, ci în cea mai mare parte a cristalului. Cele mai răspândite sunt detectoarele cu semiconductori din siliciu și cristale de germaniu. În cristal, datorită prezenței unor regiuni cu n- și p-conductibilitatea creează o regiune epuizată de purtători (electronii și găurile se recombină în ea). p- stratul este conectat la electrodul negativ, n-strat la pozitiv. Toți purtătorii sunt îndepărtați de stratul de tranziție, dioda este blocată. Odată ajunsă în această regiune, o particulă încărcată provoacă ionizare, respectiv electronii apar în banda de conducție, iar găurile apar în banda de valență. Sub acțiunea unei tensiuni aplicate electrozilor depuși pe suprafața zonei sensibile, are loc mișcarea electronilor și a găurilor și se formează un impuls de curent. Cristalului semiconductor se aplică o tensiune de până la câțiva kV, ceea ce asigură colectarea tuturor sarcinilor formate de particule în volumul detectorului. Rețineți că, în realitate, găurile încărcate pozitiv nu se pot deplasa într-un solid cristalin. Ceea ce se întâmplă de fapt este că găurile sunt umplute cu electroni vecini, care se mișcă în direcția opusă, lăsând noi găuri în urmă. Astfel, se pare că găurile se mișcă.

Energia cheltuită pentru formarea unei perechi electron-găuri într-un detector cu semiconductor este de aproximativ 10 ori mai mică decât energia formării unei perechi electron-ion în gaze. În consecință, la decelerația completă a aceleiași particule în camera de impuls și detectorul cu semiconductor, amplitudinea impulsului în acesta din urmă este de aproximativ 10 ori mai mare.

Mobilitatea electronilor și a găurilor și, prin urmare, timpul de colectare a acestora pe electrozii detector diferă de cel mult de 3 ori. Acest lucru permite colectarea completă atât a electronilor, cât și a găurilor. Timpul de colectare a electronilor și a găurilor în PPD este de 20-100 ns, ceea ce este mult mai mic decât timpul de colectare a ionilor în IR. Prin urmare, SPD-urile au viteză bună sau timp de rezoluție scăzută.

Datorită energiei scăzute de formare a unei perechi electron-gaură, SPD-urile au o rezoluție energetică foarte bună, pentru detectoare de germaniu de ordinul a 0,1%. În Fig. 10, rezultatul măsurării spectrului γ - radiatii 133 Ba detector de scintilație și semiconductor.

Fig.11 Construcția unui detector cu microbandă de siliciu

Detectoarele cu microbandă cu semiconductori sunt utilizate pentru a determina cu precizie coordonatele particulelor. Sunt plăci de siliciu monocristal, pe una dintre suprafețele cărora se aplică electrozi subțiri (benzi), distanțați la o distanță de ~20 μm, iar cealaltă este acoperită cu un strat metalic (Fig. 11). În funcție de locul în care se lovește particulele încărcate, semnalul este preluat de pe diferite benzi. Rezoluția spațială a detectorilor cu microbandă ajunge la 10 µm. Rezoluție temporală - 10 -8 s.

Dezavantajul SPD-urilor este dimensiunea mică a regiunii sensibile, care nu le permite să fie utilizate pentru măsurarea particulelor de înaltă energie.

Proprietățile caracteristice ale contoarelor de radiații pot fi rezumate într-un tabel.

Caracteristicile contorului

	Eficiență, %	Energie permisiunea, %	permisiv timp
Camera de ionizare pulsata		1÷3	10 -5
Contor proporțional		~ 1	10 -6
Contor Geiger	~ 5	—	10 -4
Detector de scintilație	~ 100	5÷10	10 -9
detector cu semiconductor	~ 100 10 pentru γ - radiatii	0.1	10 -8

detectoare de urme

În detectoarele de urme, urma lăsată de particulele înregistrate în substanța de lucru este fixată. Geometria pistelor determină numărul de particule încărcate implicate în reacție și direcția mișcării acestora. Grosimea pistei este determinată de pierderile de energie ale particulei pe unitatea de drum, care depind de sarcina și viteza particulei. Dacă pista se încadrează în volumul de lucru al detectorului, atunci lungimea pistei este utilizată pentru a determina kilometraj particulă, în funcție de energia particulei, sarcina și masa acesteia. RMS unghi de împrăștiere depinde de sarcina, viteza și impulsul particulei. În cele din urmă, dacă detectorul este plasat într-un câmp magnetic, raza de curbură Urmele determină raportul dintre impuls și sarcina particulei. Informațiile bogate despre proprietățile unei particule fac posibilă determinarea nu numai a caracteristicilor, ci și a tipului particulei înregistrate.

Există mai multe tipuri de detectoare de urme:

Emulsii fotografice nucleare

Într-o emulsie fotografică, particulele încărcate lasă urme vizibile, care, după dezvoltare, pot fi studiate în detaliu. Densitatea considerabilă a emulsiei (aproximativ 3,8 g/cm3) face posibilă oprirea particulelor cu energie destul de mare din ea. Datorită dimensiunii mici a granulelor dezvoltate ale materialului fotografic (~0,6 μm), emulsia face posibilă obținerea unei rezoluții unghiulare și spațiale excelente.

Istoria utilizării emulsiilor fotografice pentru detectarea particulelor nucleare a început odată cu observarea lui Becquerel în 1896 a înnegririi plăcilor fotografice în prezența compușilor de uraniu, ceea ce a dus la descoperirea fenomenului de radioactivitate (vezi prelegerea). Emulsiile nucleare diferă de emulsiile convenționale într-o grosime mare a stratului sensibil - până la câteva sute de microni. Emulsiile nucleare, ca și emulsiile fotosensibile obișnuite, constau din gelatină și particule în suspensie de bromură de argint cristalin (AgBr) cu dimensiunea de până la 0,3 µm. Particulele încărcate care trec prin stratul de emulsie ionizează atomii aflați în calea lor. Rezultatul este descompunerea bromurii de argint și formarea centrelor de imagine latente. În timpul dezvoltării ulterioare în emulsie, se formează granule minuscule de argint metalic cu o dimensiune de până la ~ 1 μm, care sunt observate la microscop sub formă de puncte cu conținut diferit de grăsime. Urma unei particule are forma unui lanț de astfel de puncte cu o distanță medie între ele care nu depășește 5 μm. Natura acestei urme (concentrarea punctelor și abaterea de la dreptate) poate fi utilizată pentru a identifica tipul de particule.

Din 1945 până în 1955, s-au făcut descoperiri importante prin metoda emulsiilor fotografice nucleare: π -mezonii si secventele de dezintegrare ale protonilor si muonilor, precum si interactiunile nucleare ale antiprotonilor si K -mezonilor. Compoziția radiației cosmice primare a fost studiată prin metoda emulsiilor fotografice nucleare; pe lângă protoni, s-au găsit nuclee în ea Nuși elemente mai grele, până la Fe.

Complexitatea utilizării emulsiilor fotografice nucleare este asociată cu compoziția lor complexă (incertitudinea nucleului țintă). Până în prezent, emulsiile fotografice nucleare sunt înlocuite cu camere cu bule și scântei și detectoare electronice de urmărire a particulelor.

camera cu nori

În camera cu nori, urma unei particule formează un lanț de mici picături de lichid de-a lungul traiectoriei mișcării sale. Inventat în 1912. În 1927. C. Wilson a fost distins cu Premiul Nobel.

camera de deriva.

Acesta este un analog al unei camere proporționale, care vă permite să restabiliți traiectoria particulelor cu o precizie și mai mare.

Camerele cu scânteie, streamer, proporționale și în derivă au multe dintre avantajele camerelor cu bule, permițându-le să fie declanșate de la un eveniment de interes, folosindu-le pentru coincidențe cu detectoare de scintilație.

Camera de deriva este un detector de coordonate. Acesta este un detector de ionizare cu sârmă umplut cu gaz (precum și o cameră proporțională), în care coordonatele particulei sunt determinate de timpul deplasării electronilor în gaz de la locul ionizării (zborul particulelor) la firele anodului de semnal. Distanța dintre fire este de obicei de câțiva centimetri. Spre deosebire de camera proporțională, un câmp electric uniform este creat în camera de deriva. Este activat de semnalele de pornire ale detectoarelor externe (cel mai adesea contoare de scintilație), care înregistrează trecerea unei particule prin cameră. În plus, electronii liberi care au apărut în volumul camerei se deplasează într-un câmp uniform și constant către cele mai apropiate fire. Intensitatea câmpului în intervalul de deriva este de 1 kV/cm. În imediata apropiere a firelor anodice se formează avalanșe (amplificarea gazului ajunge la 106), iar coordonatele particulei sunt determinate din timpul de întârziere al sosirii avalanșelor pe firele anodului în raport cu semnalul de pornire. Rezoluția spațială a camerei de deriva este de aproximativ 0,1–0,2 mm, iar rezoluția temporală este de nanosecunde.

Camerele de deriva pot fi plate, cilindrice sau sferice.Camerele mari de deriva plate sunt folosite in experimente cu acceleratoare de energie mare. Astfel, la CERN a fost dezvoltată o cameră de deriva de 2x4x5 m3.

Detectorul de scintilație folosește proprietatea anumitor substanțe de a străluci atunci când trece o particulă încărcată. Cuantele de lumină generate în scintilator sunt apoi înregistrate folosind fotomultiplicatori. Sunt utilizate atât scintilatoare cristaline, de exemplu NaI, BGO, cât și cele din plastic și lichide. Scintilatoarele cristaline sunt utilizate în principal pentru a detecta cuante gamma și razele X, plastic și lichid - pentru a detecta neutroni și măsurători de timp. Volumele mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare de foarte mare eficiență pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică de interacțiune cu materia.

Scintilatorul poate fi organic (cristale, materiale plastice sau lichide) sau anorganic (cristale sau pahare). Se mai folosesc scintilatoare gazoase. Antracenul (C14H10), stilbenul (C14H12), naftalina (C10H8) sunt adesea folosite ca scintilatoare organice. Scintilatoarele lichide sunt cunoscute în mod obișnuit sub numele de marcă (de ex. NE213). Scintilatoarele din plastic și lichide sunt soluții de substanțe organice fluorescente într-un solvent transparent. De exemplu, o soluție solidă de antracen în polistiren sau o soluție lichidă de p-terfenil în xilen. Concentrația substanței fluorescente este de obicei scăzută, iar particula detectată excită în principal molecule de solvent. Ulterior, energia de excitație este transferată către moleculele substanței fluorescente. Ca scintilatoare cristaline anorganice se folosesc ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO), etc.Gazele inerte (Xe, Kr, Ar, He) si N sunt folosite ca scintilatoare gazoase si lichide.

Fig.1. Comparația a două scintilatoare

Ieșire de lumină - fracțiunea de energie a particulei detectate convertită în energia unui fulger de lumină. Ieșirea luminoasă a antracenului este de ~ 0,05 sau 1 foton la 50 eV pentru particule de înaltă energie. NaI are o putere de lumină de ~ 0,1 sau 1 foton la 25 eV. Se obișnuiește să se compare puterea de lumină a acestui scintilator cu puterea de lumină a antracenului, care este utilizat ca standard. Ieșirile de lumină tipice ale scintilatoarelor din plastic sunt de 50-60%.

Intensitatea fulgerului luminii este proporțională cu energia pierdută de particule, astfel încât detectorul de scintilație poate fi folosit ca spectrometru, adică un instrument care determină energia particulei.

Cu ajutorul contoarelor de scintilație, este posibil să se măsoare spectrele energetice ale electronilor și razelor. Situația este oarecum mai gravă cu măsurarea spectrelor de particule grele încărcate (-particule etc.), care creează o ionizare specifică mare în scintilator. În aceste cazuri, proporționalitatea intensității exploziei energiei pierdute nu se observă deloc energii ale particulelor și se manifestă doar la energii mai mari decât o anumită valoare. Relația neliniară dintre amplitudinile pulsului și energia particulelor este diferită pentru diferiți fosfori și pentru diferitele tipuri de particule.

Orez. 2. Scintilator și PMT

Orez. 3. Dispozitiv PMT

Rezoluția energetică a detectorilor de scintilație ΔE/E nu este de obicei mai bună decât câteva procente. Rezoluția temporală este determinată în principal de durata fulgerului luminii (timp de emisie a luminoforului) și variază în intervalul de 10 -6 -10 -9 s.

Volumele mari de scintilatoare fac posibilă crearea de detectoare de foarte mare eficiență pentru detectarea particulelor cu o secțiune transversală mică de interacțiune cu materia.