7. Регистрация частиц и радиоактивных излучений (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, ядерные фотоэмульсии).

Ионизационные камеры

http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/ion.htm

Несколько электродов, в камере, заполненной инертным газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Камера помещается в конденсатора, на который подаётся напряжение ~100В. В случае пролёта заряженной частицы газ ионизируется и ионы летят к электродам (большое напряжение нужно для того, чтобы ионы не рекомбинировали).

В импульсных камерах регистрируют импульсы от отдельных частиц. Сначала собираются более подвижные электроны, и только потом – тяжёлые ядра, которые ещё нужно разогнать. Поля подбираются так, что с одной стороны нет рекомбинаций, а с другой – нет вторичной ионизации.

Временное разрешение – 10^-6 с. Если частица полностью остановилась в камере (потеряла всю свою энергию), то можно оценить её исходную энергию, как количество полученных электронов, умноженное на среднюю энергию ионизации (30-40 эВ).

Недостаток ионизационных камер – низкий ток.

Газоразрядные счетчики

Газоразрядные счётчики – это счётчики Гейгера (а если быть более точным, то счётчики Гейгера-Мюллера).

Газоразрядный счётчик представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкая нить) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Напряжение выбирается так, что появление хотя бы одного электрона приводит к мощному лавинообразному процессу за счёт вторичной ионизации. Импульс тока достигает предельного значения (насыщения) и не зависит от первичной ионизации. Коэффициент усиления может достигать 10¹⁰, а величина импульсов – десятки Вольт. Фактически газоразрядный счётчик – это пропорциональный счётчик, у которого коэффициент усиления выкручен на максимум.

Вероятность регистрации заряженной частицы почти 100%. Но зато низкое временное разрешение ~ 10^-4c.

Пропорциональные счетчики

Пропорциональный счётчик – это ионизационный детектор с газовым усилением. Представляет собой цилиндрический конденсатор, поле которого разгоняет возникающие ионы. Напряжение ~ 1000 Вольт. Напряжённость поля вблизи нити анода может достигать 40 000 Вольт/см, в то время как у катода ~ 100 Вольт/см. Саму камеру заполняют инертными газами (чаще всего гелием или аргоном). Пропорциональные счетчики могут регистрировать частицы с энергией меньше 10 кэВ, которые не регистрируются в ионизационной камере, т.к тонут в шумах.

Главная идея – вторичная ионизация: электроны, освободившиеся в процессе ионизации разгоняются настолько, что взаимодействую с другими частицами среды, могут вызвать вторичную ионизацию.

Коэффициент газового усиления может достигать 10³-10⁴. Напряжения подбирают таким образом, чтобы амплитуда импульсов тока или полный собранный заряд оставались пропорциональными энергии исходной частицы. Поэтому они могут выполнять функцию спектрометра.

Энергетическое разрешение пропорциональных счётчиков выше, чему у сцинтилляционных, но ниже чем у полупроводниковых.

Временное разрешение ~ 10^–7 c.

Используют для регистрации алфа- и бета-частиц, протонов, гамма квантов и нейтронов.

Стриммерные и искровые камеры

Если совсем задрать напряжение в газоразрядном счётчике (до нескольких кВ), то появление заряженной частицы будет вызывать искровой пробой (разряд). Амплитуда сигнала с такого счётчика будет ~100 В. Время разряда после восстановления 10^-3 – 10^-4 с. Эти счетчики обычно делают в виде плоских конденсаторов (площадь ~10 см², зазор 0,1-10 мм). Искра локализована и указывает место появления частицы.

Стримеры – области ионизированного газа в виде каналов. В стриммерных камерах после начала пробоя на электроды подаётся обратное напряжение, чтобы прекратить процесс. Сами стримеры фотографируются и по ним определяются координаты треков частиц.

Полупроводниковые детекторы

Недостатки газонаполненных детекторов:

• Низкая плотность газа => мало взаимодействий => высокоэнергетичные частицы теряют мало энергии и пролетают дальше.

• Для ионизации газа требуется большая энергия (30-40 эВ). Поэтому энергетическое разрешение не очень большое.

Твердотельные детекторы в значительной мере лишены этих недостатков. Наиболее часто используются кремний (2,3 г/см³) и германий (5,3 г/см³). Создаётся область в которой нет свободных носителей заряда. Попадая в такую зону частица выбивает электроны в зону проводимости, в валентной зоне при этом образуются дырки. На поверхность полупроводника напылены электроды. Если подать на них напряжение, электроны и дырки придут в движение и сформируют импульс тока. Используются напряжения до нескольких кВ. Энергия рождения одной пары электрон-дырка 3-4 эВ. Толщина чувствительной зоны обычно не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 МэВ и α-частиц с энергией ~120 МэВ.

Кремниевые детекторы используют при комнатных температурах. Германиевые – охлаждают до температуры жидкого азота.

Временное разрешение лучших полупроводниковых детекторов 10^-8-10^-9 с.