Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

электрический сигнал. Наибольшее распространение и применение среди них получило специальное электрон ное устройство, названное фотоэлектронным умножите лем (ФЭУ). Эти устройства превращают световые кванты, испускаемые сцинтиллятором, в электрический сигнал. Они, разные по конструкции, назначению и габаритам, иногда соединяются со сцинтиллятором через промежу точный прозрачный материал, называемый световодом.

В структуре ФЭУ, состоящего из фотокатода, динодной системы и анода, сигнал снимают обычно с анода. В осно ву работы ФЭУ положено явление фотоэффекта. Кванты света, возникшие в сцинтилляторе при воздействии ра диоактивного излучения, через прозрачное окошко попа дают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него фотоэлектро ны. С помощью электрического поля ФЭУ их направляют на первый динод, где число электронов возрастает за счет малой работы выхода материала самого динода.

Электрическое поле в ФЭУ создается резистивным де лителем и внешним источником напряжения. Оно транс портирует к аноду по динодной системе электроны, число которых возрастает после каждого динода. Количество динодов в ФЭУ может быть более десятка, и число элект ронов, достигающих анода, превышает в 105–107 и более раз число электронов, попавших на первый динод. Этим объясняется высокий коэффициент усиления ФЭУ.

Совокупность сцинтиллятора и ФЭУ образует сцинтил ляционный детектор. Размеры сцинтиллятора могут быть весьма значительны. Это особенно характерно для жид ких сцинтилляторов. Их размеры, а точнее, объем неред ко составляет сотни литров и более, а просматривать его могут уже десятки и сотни ФЭУ. В практике регистрации радиоактивных излучений известны факты применения фотодиода вместо ФЭУ. Это позволяет получить достаточ но компактный детектор такого типа. Для него был бы не нужен высоковольтный и стабильный источник питания, который необходим для работы ФЭУ. Однако в действитель ности применение данной структуры (фотодиод и сцин тиллятор) все еще сдерживается худшим отношением сиг нала к шуму.

1.6. ДЕТЕКТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

И ИХ ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ

Основным параметром радиоактивного излучения в целом ряде случаев является его интенсивность. При та кой ситуации детектор, позволяющий определить число событий в единицу времени, называют просто счетчиком. Данную характеристику источника излучения можно по лучить практически с помощью любого известного нам детекторного устройства. Известны газонаполненные счет чики (пропорциональные и Гейгера — Мюллера), а также сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики, вклю чая целый ряд других аналогичных устройств.

Не вызывает сомнений тот факт, что наряду с наибо лее распространенными элементарными актами взаимо действия (ионизация и люминесценция) ядерные излуче ния можно регистрировать за счет целого ряда других ви дов взаимодействий. В их составе следует отметить эффект Вавилова — Черенкова, который связан со свечением ве щества за счет световой волны, образующейся при движе нии в нем высокоэнергетической частицы.

Это свечение регистрируют с помощью фотоумножи теля. Такая структура называется счетчиком Черенкова. Рабочим веществом в нем служат жидкости и твердые тела, которые должны быть прозрачными. С его помощью можно зарегистрировать, например, протоны с энергией более 400 МэВ. Следует заметить, что счетчик обладает высоким временным разрешением, не хуже 10–9 с, кото рое определяется в основном только параметрами ФЭУ.

Уместно упомянуть ряд других структур, а именно: калориметрические, зарядовые, химические и трековые детекторы. Последние из них называются еще радиоде фектоционные, так как регистрация частицы идет путем образования дефектов в специальных материалах в виде трека. По виду среды, реагирующей на радиоактивное из лучение, они могут быть твердые, жидкие и газообразные. Более того, название каждого из них определяет то разно образие эффектов, которые положены в основу их работы.

Обратим внимание на еще один, особый вид детекто ров, получивший название позиционно чувствительные детекторы. Наряду с регистрацией ядерного излучения и его основных параметров (интенсивность, энергия и т. п.) они дают информацию о координате поступления частиц в детектор. Их еще называют координатно чувствитель ные детекторы, которые облегчают измерение угловых распределений продуктов ядерных взаимодействий. Они тоже используют элементарные акты взаимодействия ядер ного излучения со средой (ионизация и люминесценция). Их применение повышает эффективность работы магнит ных спектрометров, успешно решая многие проблемы физики высоких энергий.

1.7.

ИЗУЧЕНИЕ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ

Основой техники измерений в экспериментальных ме тодах ядерной физики служат целые группы специальных электронных средств. Для каждого эксперимента их обыч но объединяют в особую структуру, которую называют измерительной системой. Измерительная система — це леобусловленная совокупность электронных средств, пред назначенных для получения информации о процессах или объектах посредством измерений требуемых параметров, накопления результатов и получаемых данных, их обра ботки и представления в установленной форме.

В измерении параметров ядерных превращений при меняется весьма внушительный объем различной элект ронной техники. Используется практически весь арсенал методов линейной и нелинейной обработки сигналов — это усиление, селекция, т. е. отбор по времени и амплитуде, преобразование в код, счет событий, накопление и пред ставление данных, их обработка и хранение.

Состав электронных средств зависит и определяется в основном кругом задач и объемом данных, которые необ ходимы для достижения поставленной цели. Именно эти аспекты в измерении радиоактивных излучений служат

критерием целесообразности и зависят прежде всего от перечня регистрируемых параметров. Фиксируемые па раметры (амплитуда, время, угол разлета, интенсивность и т. п.) определяют и устанавливают, в свою очередь, ха рактер и вид проводимых измерений.

Не обсуждая на данном этапе подробно варианты при менения электронных средств в практике ядерно физи ческого эксперимента, отметим базовые виды и версии осуществления измерений. В первую очередь назовем счет ные методы и технику их реализации. Как показывает практика измерений, в составе систем накопления и обра ботки данных присутствует несколько счетных каналов.

Всложных экспериментах их число возрастает до несколь ких десятков и более. В решении широкого круга различ ных измерительных задач в ядерной физике и технике далеко не последнее место отводится амплитудному ана лизу и технике его обеспечения.

Достаточно широко используется временной анализ, где регистрируется распределение интервалов времени.

Вкачестве специфики и особенности применения такого анализа нужно отметить два направления, обусловленные областью измерений. Одна связана с техникой измерения интервалов времени микросекундного диапазона. Другая использует в измерениях электронные средства и техни ку наносекундного диапазона.

Отметим характерные особенности измерений в ядер ной физике:

случайный характер поступления событий;

существенный уровень помех по шинам питания, за земления при передаче сигналов и т. д.;

значительная протяженность кабельных линий транс портировки детекторных сигналов;

присутствие и наличие фона, в ряде случаев весьма значительного уровня;

высокая интенсивность поступления событий по из мерительным каналам (нередко до 108);

просчеты событий и наложение сигналов детектора;

необходимость энергетической калибровки шкалы из мерительного канала;

стабильность положения монолиний в регистрируемом спектре и ее обеспечение.

Данная специфика создает определенные трудности в измерении параметров ионизирующих излучений. Следу ет заметить, что это далеко не полный перечень вопросов и задач, с необходимостью решения которых сталкивают ся специалисты. Однако даже такой весьма лимитиро ванный список проблем дает возможность оценить сово купность основных требований, которые предъявляются экспериментальными методами ядерной физики к элект ронным средствам их обеспечения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Ядерные превращения — основные формы, их продукты и ха рактер проявления.

2.Источники радиоактивного излучения и их основные разно видности.

3.Базовые направления в изучении основных факторов ионизи рующих излучений.

4.Негативный фактор, сопровождающий регистрацию ядерных излучений и суть его проявления.

5.Что такое фоновая составляющая и как можно ее исключить из результатов измерений?

6.Суть ионизационного метода регистрации радиационных из лучений. В каких детекторах его используют?

7.Объясните, почему полупроводниковый детектор можно счи тать ионизационной камерой с твердым наполнителем?

8.Суть люминесценции. В каком детекторном устройстве она используется?

9.Структура сцинтилляционного детектора, его составные части и их назначение.

10.Какие виды детекторов еще используются в практике измере ний?

11.Что такое измерительная система и ее вклад в изучение иони зирующих излучений?

Г Л А В А 2

ДЕТЕКТОРЫ И ИХ СИГНАЛЫ

Наличие в окружающей среде радиоактивного излу чения можно обнаружить только с помощью специальных устройств. Они называются детекторами. Детектор ядер ного излучения является техническим средством, преоб разующим энергию радиоактивных излучений в другие ее формы, обеспечивая получение сигналов измеритель ной информации.

С метрологической точки зрения структура такого вида относится к категории первичного измерительного преобразователя. В различных областях науки и техники его именуют еще датчиком, индикатором, сенсором и т. д. Однако для ядерной физики при измерении характери стик и определении параметров ионизирующего излуче ния используется термин «детектор».

2.1.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДЕТЕКТОРНЫХ УСТРОЙСТВ

ИИХ ВИДЫ

Влюбой ситуации детекторным устройством можно считать структуру, на вход которой поступают частицы, а на выходе ее появляются сигналы. Для разных детекто ров характерна разнообразная форма выходных сигналов

ввиде импульсов тока, вспышек света, пузырьков пара, капелек жидкости и т. п. Развитие и совершенствование

техники данного назначения играет существенную роль

врасширении сферы применения ядерных технологий в различных областях промышленного производства.

Процесс преобразования в детекторах энергии иони зирующего излучения в сигналы носит информативный характер. Объем информации, который можно получить из анализа разных видов выходных детекторных сигна лов, даже одной лишь электрической формы, имеет суще ственный разброс. Наибольший объем информации несет импульс тока, выделяемый в пропорциональных дискрет ных детекторах. В них одним из установленных фактов считают, что если детектор функционирует в линейном импульсном режиме, то потери частицей энергии всегда будут пропорциональны амплитуде выходного сигнала.

Дискретные непропорциональные детекторы уже не дают информации ни об энергии зарегистрированных ча стиц, ни об их виде. Они функционируют в нелинейном импульсном режиме. В этом случае почти полностью ут рачена связь выходного импульса с потерями энергии за регистрированной частицы. На выходе таких детекторов

восновном выделяются идентичные сигналы фиксирован ной формы и амплитуды.

Спомощью аналоговых, работающих в токовом режи ме детекторов, как считают некоторые специалисты, обес печивается весьма небольшой объем информации о пара метрах и характере излучения. При этом выходной сиг нал, непрерывный по форме, усреднен по времени, и его изменения обычно связаны просто с увеличением числа частиц, поступающих в детектор. Именно такая ситуация характерна для непрерывного режима работы детектора, который еще известен как токовый режим. Однако дан ный параметр нередко трансформируют в цифровой код с помощью преобразования «ток — частота». Это дает воз можность достаточно эффективно контролировать состоя ние физической установки и управлять ее работой.

По виду выходного сигнала вся совокупность детекто ров, фиксирующих радиоактивное излучение, разграничи вается на три основные группы. К одной из них относятся детекторы, для которых характерен пропорциональный

линейно импульсный режим работы. В противополож ность ей другая группа детекторов функционирует в не пропорциональном нелинейном импульсном режиме. На конец, для последней группы детекторов характерен не прерывный по форме, т. е. токовый, режим работы.

2.2. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ

И РЕЖИМА РАБОТЫ ДЕТЕКТОРОВ

Необходимо посмотреть и понять, какие же парамет ры излучений можно зафиксировать каждой из этих де текторных групп? Прежде всего все они дают информа цию о наличии радиоактивного излучения, а значит, од нозначно предупреждают об опасности. С их помощью также можно получить информацию об интенсивности излучения. Правда, последняя группа выдает ее с некото рым запаздыванием, но других возможностей, по всей ви димости, у нее нет. Запаздывание связано с установлени ем нового уровня тока при изменении интенсивности из лучения.

Две другие группы дают более весомые результаты. В самом деле, с помощью второй группы, помимо нали чия излучения и его интенсивности, можно получить про странственную и временную информацию. Это позволяет по крайней мере определить момент времени поступления частицы в детектор, а также обнаружить местонахожде ние источника излучения. Поиск источника упрощается, если детектор и система регистрации транспортабельны.

Однако более мощным потенциалом обладает первая группа. Помимо упомянутых выше возможностей, с ее помощью можно получить также информацию об энергии частицы, ее виде и т. п. Это стало возможно благодаря практически линейной зависимости выходной амплиту ды сигнала детектора от потери в нем энергии частицей. Кроме того, следует отметить тенденцию роста объема ин формации, которая обусловлена возможностью примене ния более эффективных методов обработки детекторных сигналов.

Действительно, если детектор функционирует в про порциональном линейно импульсном режиме, то его вы ходной сигнал можно реализовать для получения инфор мации разной формы. Предоставляется весьма широкий набор вариантов использования параметров сигнала. Мож но использовать амплитуду сигнала, время его появления, форму сигнала, нарастание его фронта, динамику спада сигнала и т. п. Степень учета таких факторов определяет ся в первую очередь целями эксперимента и уровнем по ставленных и решаемых задач. Не вызывает сомнений факт, что чем сложнее эксперимент, тем большее число параметров требуется учитывать. В таком случае наблю дается существенный рост применяемых средств электрон ной техники.

2.3.

НАРУШЕНИЕ УСЛОВИЙ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ

В ДЕТЕКТОРЕ

Следует обратить внимание на нарушение пропорцио нальности в работе детектора при линейно импульсном режиме. Такие нарушения связывают с неопределенно стями на различных стадиях преобразования «энергия — амплитуда». Первая ее фаза относится к процессам, про исходящим в самом веществе детектора. Вторая фаза ха рактерна для этапа получения и формирования импульса тока. Его амплитуда пропорциональна заряду, который выделился на выходе детектора.

Отметим некоторые из особенностей этих процессов. В детекторе имеет место ряд факторов, которые обуслов ливают неопределенности и нарушение пропорциональ ности. Среди них фрагментарная, неполная потеря энер гии частицей материала детектора, неоднородность его рабочего объема, статистический характер взаимодейст вия, передачи и преобразования энергии. Здесь же наблю даются флуктуации и нестабильность параметров детек тора, связанные с изменениями температуры, напряже ния питания и т. п. В каждом виде детектора преобладает

тот или иной аспект. Зная это и выполняя мероприятия по их нейтрализации, можно в значительной мере повы сить точность измерений параметров излучения.

Флуктуации заряда, возникающие в объеме детекто ра, ведут к неоднозначности его преобразования и выде ления в виде амплитуды сигнала. Для измерения величи ны заряда интегрируют ток на его выходе. Полученная величина тока или напряжения будет мерой заряда, а зна чит, и мерой энергии, потерянной частицей в объеме детек тора. Наряду с изменениями тока, влияющими на точность выделения амплитуды сигналов, необходимо учитывать и вклад различных шумовых составляющих, которые обуславливают искажение получаемых результатов изме рений.

Следует заметить, что для оптимального выделения сигнала, как показывает анализ, необходимо решать весь ма противоречивые задачи. Для снижения наложений дли тельность выходных импульсов необходимо уменьшить. С другой стороны, для полноты сбора заряда и снижения вклада некоторых шумовых составляющих длительность выходных сигналов следует увеличить, обеспечивая та ким образом более полновесный сбор заряда. Неполное его собирание приводит к нарушению пропорциональности между зарядом и амплитудой сигнала. Кроме того, непол ный сбор носителей заряда уменьшает амплитуду и ухуд шает отношение сигнал — шум.

2.4. ОЦЕНКА СИГНАЛОВ

ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Регистрация ядерных излучений связана, как уже от мечалось, с образованием пар носителей заряда. Различ ные виды детекторных устройств в существенной мере различаются по уровню потерь энергии на образование пары электрон — ион (газонаполненные камеры, пропор циональные счетчики и т. п.) или электрон — дырка (по лупроводниковые детекторы). Затраты энергии на обра