ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ Ионизационные приборы. Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением
i nq/t,
где n - число образовавшихся ионов, q - электрический заряд каждого иона, а t - время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой
E nk,
где n - число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k - средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар - случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности. .
Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p - n-переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и "дырки"), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом - 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.
Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p - n-переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.
Еще один тип полупроводникового детектора - литий-дрейфовый детектор с p - i - n-переходом - изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.
Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера. Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизующей частицей. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большими коэффициентами усиления. Но если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике. В плоскопараллельной камере электрическое поле однородно и его напряженность равна разности потенциалов между пластинами, деленной на расстояние между ними. В такой геометрии трудно получить поля с высокой напряженностью, необходимые для вторичной ионизации. В камерах же с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч.
При повышении напряжения на пропорциональном счетчике коэффициент усиления сигнала не возрастает до бесконечности. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. По конструкции он сходен с пропорциональным счетчиком. Более того, можно сконструировать счетчик, который будет работать либо как ионизационная камера, либо как пропорциональный счетчик, либо как счетчик Гейгера в зависимости от напряжения, приложенного между катодом и анодом.
Импульс тока, возникающий в счетчике Гейгера после прохождения заряженной частицы, сходен с электрическим искровым разрядом. Как и в других ионизационных приборах, основной вклад в ток вносят электроны. Присутствующие при этом в больших количествах положительные ионы электрически экранируют анод от катода и тем самым ослабляют поле, действующее на электроны. С увеличением тока экранирование усиливается и достигается насыщение, ограничивающее максимальный ток. Одновременно с насыщением протекает другой процесс - распространение разряда по всему объему счетчика Гейгера. Он обусловлен свечением разряда, свет которого производит в счетчике дополнительную ионизацию за счет фотоэффекта. Повсюду, где происходит фотоионизация, возникает новый разряд. В конечном итоге сигнал уже не зависит от первичной ионизации и может достигать 100 В. Таким образом, разряд усиливает первичный сигнал более чем в миллион раз.
Для гашения разряда в счетчике Гейгера приходится принимать особые меры. Можно уменьшить внешнее напряжение и поддерживать его ниже уровня, при котором возможен устойчивый разряд, пока все ионы не будут выведены из объема счетчика. Более простой способ - ввести в счетчик пар, которые поглощали бы свет, испускаемый разрядом, и рассеивали энергию не за счет фотоэффекта, а, например, за счет диссоциации. Для этого обычно добавляют газообразные галогены (промышленность выпускает, как правило, счетчики именно такого типа). Пропорциональные счетчики можно использовать для измерения низкой энергии излучения, например электронов или рентгеновского излучения. Счетчик Гейгера лишь фиксирует появление частицы. Иначе говоря, при наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов.
Сцинтилляционные и черенковские счетчики. Испускание света некоторыми веществами при прохождении сквозь них быстрых заряженных частиц называют сцинтилляцией. На долю испускаемого света может приходиться 5-10% всей энергии, теряемой частицами. Его испускание - частный случай люминесценции - обусловлено атомной структурой вещества, сквозь которое проходит частица. На регистрации света, испускаемого средой при прохождении через нее частицы, основаны сцинтилляционные счетчики.
В современных сцинтилляционных счетчиках, появившихся примерно в 1947, для регистрации сцинтилляций используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливающие этот сигнал. Сцинтилляционный счетчик с ФЭУ схематически изображен на рис. 4.
При выборе сцинтиллирующего вещества встает вопрос о сборе света из кристалла. Известно, что вещества, испускающие свет определенной частоты, поглощают свет той же частоты. Поэтому в очень чистом кристалле сцинтилляционное свечение будет непрерывно поглощаться и вновь испускаться атомами кристалла, пока свет не выйдет наружу через поверхность кристалла или же не будет поглощен в виде тепла. Последнее чаще всего происходит в кристаллах достаточно больших размеров, и по этой причине чистые кристаллы оказываются плохими сцинтилляторами. Ситуация значительно улучшается при введении специальных примесей. Такие активирующие примеси, смещающие длину волны, поглотив свет, испускают его с несколько большей длиной волны, благодаря чему он может выйти наружу. Из неорганических кристаллов обычно используют иодиды натрия и цезия, активированные таллием. Успешно применяются в роли сцинтилляторов также активированные пластмассы и органические жидкости. Типичным примером может служить полистирол, активированный пара-терфенилом. Применяются и некоторые чистые органические кристаллы.
У сцинтилляционных счетчиков имеется ряд преимуществ перед другими детекторами частиц. Твердые и жидкие сцинтилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных счетчиках. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнал. Кроме того, ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем. К тому же длительность сигнала на выходе сцинтилляционного счетчика может составлять всего лишь 10-9 с, тогда как от ионизационной камеры удается в лучшем случае получить сигнал длительностью примерно 10-7 с.
Сигнал на выходе сцинтилляционного счетчика, как и у ионизационных приборов, пропорционален энергии, теряемой падающей частицей в веществе сцинтиллятора. Эта энергия может достигать нескольких сотен мегаэлектронвольт и представлять собой полную кинетическую энергию падающей частицы. Сигнал от счетчика можно также использовать для измерения временнх интервалов между моментами появления разных частиц. Примером может служить измерение среднего времени жизни нестабильных частиц, таких, как ?- или К-мезон. Суть эксперимента - в регистрации временнго интервала между сигналом счетчика, соответствующим попаданию в него мезона, и сигналом, соответствующим появлению продукта распада. Время жизни ?-мезона примерно 25?10-9 с, и для точного его измерения нужен счетчик с гораздо меньшим временем отклика.
Сцинтилляционные счетчики широко применяются в экспериментах с пучками частиц в ускорителях на высокие энергии. Такие пучки обычно состоят из сгустков частиц, и чтобы выделить в этих сгустках отдельные частицы, необходимо высокое "временне разрешение" (малое время отклика), обеспечиваемое сцинтилляционными счетчиками.
Используя в качестве сцинтилляционных материалов обычные органические жидкости и пластмассы, можно изготавливать счетчики практически любых размеров и форм. Для экспериментов с космическими лучами, где потоки частиц крайне малы, создаются гигантские системы детекторов, содержащие тонны чувствительных материалов. Столь же огромное количество вещества используется для регистрации нейтрино, нейтральных частиц, вероятность взаимодействия которых с веществом исключительно мала. В эксперименте может использоваться и система из большого числа отдельных сцинтилляционных счетчиков. В таких случаях они зачастую выполняют ту же роль, что и счетчики Гейгера, т.е. служат индикаторами наличия частиц. Сцинтилляционные счетчики могут работать значительно надежнее счетчиков Гейгера и благодаря своему высокому временнму разрешению точно регистрировать гораздо более интенсивные потоки частиц.
Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение - свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. В любой преломляющей среде скорость света равна с/n, где с - скорость света в пустоте (3?108 м/с), а n - показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 2?108 м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n, будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с/n. Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 - v2/c2n2), которая равна нулю при пороговом значении скорости с/n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с. Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением
cos? v/cn.
Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью.
Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с.
Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2?108 м/с (0,67 скорости света).
Детекторы нейтронов и гамма-квантов. Ионизационные приборы, сцинтилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные же частицы, например нейтроны и гамма-кванты, должны сначала как-то подействовать на вещество, чтобы возникли заряженные частицы, на которые может реагировать счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар. Фотоэффект - это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект - это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером, таких, как углерод. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец.
Главная задача при регистрации гамма-квантов - найти вещество, которое легко поглощало бы их и одновременно было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные приборы сравнительно мало чувствительны к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя в какой-то степени преобразование происходит в стенках счетчика. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались сцинтилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности, содержащими элементы с большими атомными номерами. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия дают почти 100%-ную эффективность регистрации гамма-квантов в широком диапазоне энергий. В равной степени подходят и другие сцинтилляционные материалы. Их выбор обычно зависит от исследуемого излучения. Черенковские счетчики тоже применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве черенковских излучателей широко применяются свинцовое стекло и бромоформ.
Нейтроны - незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода сцинтилляционные пластмассы и жидкости пригодны для регистрации нейтронов с эффективностью 10-20%. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью, особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфа-частиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции - деление ядер. Применяются ионизационные камеры с внутренним слоем делящего материала, такого, как уран-235. По большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц.
Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. У детекторов медленных нейтронов эффективность регистрации нейтронов, как правило, гораздо выше, чем для гамма-излучения. Но у используемых для регистрации быстрых нейтронов сцинтилляционных счетчиков эффективность обычно примерно одинакова в обоих случаях. Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.
Камеры Вильсона и пузырьковые камеры. При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.
Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что "воочию" наблюдать ядерные явления.
Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные - в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.
Ядерные эмульсии. Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.
Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер - порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.
Искровые камеры. Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).
Твердотельные трековые детекторы. Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально "расталкивать" атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.
Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения. См. также УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.