Детекторы частиц

1. Детекторы микрочастиц – это приборы, служащие для обнаружения частиц и измерения их параметров. В основе работы детекторов микрочастиц лежит способность движущихся заряженных частиц и g -квантов ионизировать вещество. Нейтроны не ионизируют вещество. Но, взаимодействуя с ядрами атомов вещества, они создают вторичные заряженные частицы, которые и регистрируются детектором.

Все детекторы делятся на два класса: детекторы-счетчики и трековые детекторы. Счетчики в основном регистрируют лишь факт появления микрочастицы. К ним относятся ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные, черенковские и др.

Трековые детекторы позволяют не только зарегистрировать факт и момент времени появления частицы, но и выявить траекторный след частицы (трек). Это позволяет получить более полную информацию о частице: определить ее энергию, удельный заряд, схему ее распада или взаимодействия с другими частицами и т.д. К трековым детекторам относятся: камеры Вильсона, пузырьковые камеры, толстослойные ядерные фотоэмульсии и др.

К настоящему времени сконструированы и используются более десятка разных типов детекторов. Здесь будут рассмотрены лишь наиболее употребительные из них.

2. Ионизационная камера – это один из первых по времени появления детекторов. Ее использовал еще Резерфорд в своих исследованиях радиоактивности в 1903 году.

Ионизационная камера представляет собой конденсатор обычно цилиндрической формы, заполненный газом (рис.160). Между центральным электродом 1 и внешним цилиндром 2 прикладывается разность потенциалов U. Величина U подбирается такой, чтобы образовавшиеся в газе при прохождении ионизирующей частицы ионы успевали дойти до электродов с минимальными потерями на рекомбинацию.

Диаметр камеры 10-15 см, напряжение на электродах равно 100-1000 В. Чтобы на центральном электроде не возникло коронирования, он делается достаточно толстым, диаметром 2-5 мм.

Если камера предназначена для измерения интенсивности потока b ^– и g -частиц, то она делается обычно из тонкого алюминия, а внутри заполняется инертным газом под давлением, близким к атмосферному. Бета - и гамма - частицы проникают внутрь камеры сквозь стенки и ионизируют газ. Чтобы максимально учитывать только энергию этих частиц, нужно, чтобы они полностью тормозились в камере и не выходили за ее пределы. С этой целью размер ионизационных камер для регистрации b ^– и g - частиц может быть существенно увеличен.

Альфа - частицы, обладающие огромной ионизирующей способностью, имеют малую длину пробега: в воздухе – 3-4 см, в алюминии до 10 мкм. Поэтому все они задерживаются стенкой камеры. Для исследования a -активного препарата его нужно поместить внутрь камеры. Так, например, устроены эманометры – приборы для определения концентрации радона и продуктов его распада в приземном слое воздуха.

Радон – инертный газ. Все его естественные изотопы , и образуются в семействах тория, урана и актиноурана в результате распада изотопов радия (см. рис.131). Радиоактивный газ, образующийся при распаде радия, Резерфорд назвал в 1899г. словом «эманация», что на латыни означает «истечение». Когда в 1903 г. выяснилось, что этот радиоактивный газ есть новый химический элемент в таблице Менделеева, его назвали словом «радон», то есть производное радия.

С помощью насоса ионизационная камера эманометра заполняется исследуемым воздухом. Содержащийся в воздухе радон при распаде испускает a -частицы. Все они тормозятся в камере эманометра диаметром 10-12 см. Потенциал ионизации молекул воздуха примерно 33 В. Поэтому a -частица с энергией 5 МэВ создает при торможении 5×10⁶ ç 33 = 1,5×10⁵ пар ионов. Через гальванометр пройдет заряд q = 1,6×10^–19×1,5×10⁵ = 2,4×10^–14 Кл. Это очень малая величина. Если активность препарата в камере составляет 1 микрокюри (1 мкКи), что соответствует испусканию в 1 с 3,7×10¹⁰×10^–6 = 3,7×10⁴ a-частиц, то через гальванометр протекает средний ток I = qçt = 2,4×10^–14×3,7×10⁴ Кл ç с» 10^–9 А. Столь слабый ток может быть измерен или чувствительным электрометром, или должен быть предварительно усилен.

Ионизационные камеры бывают двух типов: токовые и импульсные. Самые простые – токовые. Например, эманометры. Они измеряют интегральный эффект – ток несамостоятельного газового разряда, возникающего под действием многих ионизирующих частиц. Благодаря своей простоте и надежности ионизационные камеры широко применяются для дозиметрического контроля в производствах с элементами радиационной опасности.

Поскольку ток несамостоятельного разряда в камере пропорционален числу и энергии ионизирующих частиц, то токовые ионизационные камеры называют иногда пропорциональными счетчиками.

Импульсные ионизационные камеры позволяют регистрировать импульсы тока, возникающие при прохождении единичной заряженной частицы. Чтобы увеличить ток в импульсе, несамостоятельный разряд переводится в процессе его развития в самостоятельный. Примером импульсной камеры является счетчик Гейгера.

3. Счетчик Гейгера представляет собой полый цилиндр из тонкой металлической фольги диаметром 10-20 мм и длиной 10-30 см, заполненный аргоном под давлением 100-200 мм Hg. Вдоль оси цилиндра натянута изолированная от стенок тонкая проволочная нить диаметром 10-100 мкм. Схема включения счетчика Гейгера в цепь показана на рис.161.

Работает счетчик так. Когда ионизирующих частиц в счетчике нет, ток через высокоомный резистор R равен нулю. Все напряжение U, создаваемое источником тока (400-1000 В), приложено к газовому промежутку между осевой проволокой и стенками цилиндра.

Если через счетчик пролетает ионизирующая частица, например, электрон, атомы аргона на ее пути ионизируются. Тяжелые положительные ионы Ar⁺ медленно движутся к цилиндрической стенке – катоду, а оторванные от атомов аргона электроны устремляются к нити, на которой потенциал «плюс». По сравнению с молекулами воздуха (O₂ и N₂), которые в отсутствие электрического поля быстро присоединяют свободные электроны (за время» 10^–5 с), превращаясь в отрицательные ионы, атомы инертных газов, тем более при наличии электрического поля, когда электроны быстро движутся, остаются в основном нейтральными. Поэтому электроны остаются в свободном состоянии.

По мере приближения к нити напряженность поля Е нарастает пропорционально 1 çr (см. Эл-во, §4, пример 4.4). На расстоянии 1 мм от оси нити Е > 10⁵ В ç м. Поэтому электроны разгоняются на длине свободного пробега до таких энергий, что оказываются способными ионизировать атомы аргона. Образующиеся в каждом акте ионизации электроны устремляются к нити, также ионизируя газ. В результате в счетчике возникает электронно-ионная лавина самостоятельного газового разряда. В цепи возникает ток, на резисторе R подскакивает напряжение, которое регистрируется счетчиком электронных импульсов.

Счетчик Гейгера и резистор R включены в электрическую цепь последовательно. Поэтому, если напряжение на резисторе R подскакивает при импульсе тока на величину ∆U, то на такую же величину ∆U уменьшается напряжение на счетчике. В результате ударная ионизация должна прекратиться, импульс тока – оборваться, а счетчик должен перейти в режим ожидания следующей ионизирующей частицы.

Однако на опыте оказалось, что быстрого прекращения разряда не происходит. Дело в том, что в окрестности нити концентрация электронов и ионов настолько велика, что наряду с актами ионизации становятся частыми акты рекомбинации положительных ионов с электронами. При рекомбинационном образовании нейтральных атомов избыток энергии сбрасывается в виде кванта ЭМ-излучения. Возникает типичное свечение газа в коронном разряде. Образующиеся УФ-фотоны падают на внутреннюю поверхность цилиндра-катода и выбивают из нее фотоэлектроны, которые устремляются к нити – аноду. Этот процесс продолжается и при пониженном напряжении. В результате задний фронт токового импульса «смазывается» во времени, а сам счетчик может перейти в состояние постоянного коронирования.

Чтобы этого не было, в счетчик добавляют немного (до 10%) органических молекул (спирта C₂H₅OH) или галогенов Cl₂, Br₂. Перехватывая УФ-фотоны, эти молекулы диссоциируют на фрагменты. Даже если эти фрагменты заряжены, (C₂H₅OH → C₂H₅ ⁺+ OH^–), их масса в тысячи раз больше массы электронов. Они медленно ускоряются и потому, перехватывая УФ-фотоны, резко обрывают электронную лавину.

При повторении актов диссоциации молекул и воссоединения их фрагментов состав и структура органических примесей постепенно меняются. Поэтому счетчики Гейгера с примесью спирта имеют ограниченный срок службы (до 10⁹ срабатываний).

Первый вариант счетчика Ганс Гейгер и Эрнст Резерфорд предложили в 1908 г. Он отличался тем, что внутри цилиндра находилось тщательно заточенное металлическое острие, установленное на изоляторе. В 1928 г. В.Мюллер предложил использовать вместо острия очень тонкую проволоку. Это существенно увеличивало ток разряда. Счетчики с проволочной нитью называют обычно счетчиками Гейгера-Мюллера.

Счетчики Гейгера-Мюллера применяются при регистрации b ^– электронов, рентгеновских и g - квантов, а также нейтронов. Нейтронные счетчики делают обычно в виде стеклянных трубок с металлическим напылением изнутри, внутрь добавляют газ, содержащий бор.

Основные достоинства счетчика Гейгера-Мюллера: простота конструкции, надежность и относительная дешевизна. Эффективность счета по заряженным частицам 100% (регистрируются практически все влетевшие в счетчик частицы), по g - квантам – от 1 до 3%. Быстродействие счетчиков 10^–5–10^–4 с.

Основной недостаток счетчика: невозможность измерять с его помощью энергию ионизирующих частиц. В настоящее время эти счетчики применяются в дозиметрии и в некоторых научных исследованиях.

4. Сцинтилляционный (люминесцентный) счетчик. Первым таким счетчиком был спинтарископ Крукса, применявшийся в начальных опытах по радиоактивности (см. рис.5). Ионизирующая частица, влетающая в кристалл радиолюминофора, например, ZnS, вызывает вспышку света – сцинтилляцию. При достаточной яркости вспышки глаз человека может ее увидеть. Тем самым регистрируется факт появления частицы.

Работа с таким визуальным люминесцентным счетчиком очень тяжела и утомительна. Рабочая скорость счета не превышает 2-3 частиц в секунду. Поэтому после опытов Резерфорда спинтарископы практически уже не применялись.

Положение изменилось в 1934 г., когда Леонид Кубацкий изобрел фотоумножитель (ФЭУ). С помощью ФЭУ оказалось возможным автоматизировать процесс подсчета частиц. Поэтому после 2-й мировой войны сцинтилляционные счетчики на основе ФЭУ получили широкое применение.

ФЭУ – электровакуумный прибор. В основе его работы лежит явление вторичной электронной эмиссии. Суть его в том, что электрон, ударяющийся о поверхность металла, способен выбить из нее несколько других, вторичных электронов. Число выбитых вторичных электронов, приходящихся на один упавший на металл первичный электрон, называют коэффициентом вторичной эмиссии s. У чистых металлов s < 2, а у специально обработанных поверхностей, например, у сурьминоцезиевых эмиттеров, s доходит до 10.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика на основе ФЭУ показан на рис.162. Ионизирующая частица, например, b ^– электрон, влетает в люминесцентный кристалл 1 (например, NaI). При торможении электрон возбуждает атомы кристалла. Возвращаясь из возбужденного в основное состояние, атомы испускают фотоны (на рисунке – волнистые стрелки). Сквозь кварцевое окно 2 эти фотоны падают на фотокатод К, выбивая из него фотоэлектроны. Выбитые из катода К электроны под действием ускоряющего электрического поля движутся к первому эмиттеру Э₁. Если из фотокатода К было выбито светом N ₀ электронов, то после эмиттера Э₁ их число увеличивается в s раз и будет равным N ₁ = N ₀ s. Форма и ориентация эмиттеров делается в ФЭУ такими, чтобы вторичные электроны фокусировались в направлении следующего эмиттера. После второго эмиттера Э₂ число электронов будет равным N ₂ = N ₁ s = N ₀ s ². После третьего – N ₃ = N ₀ s ³, после n-го – Nn = N ₀ s ⁿ.

В современных ФЭУ число таких эмиттеров достигает 20. Это позволяет увеличивать поток электронов через ФЭУ в 10⁶–10⁸ раз. Поэтому на выходе ФЭУ получается токовый импульс, достаточный для регистрации электронными средствами.

Быстродействие сцинтилляционных счетчиков определяется длительностью световой вспышки в люминофоре. В неорганических кристаллах (NaI) это время имеет порядок 10^–7 с, в органических (антрацен С₁₄Н₈, нафталинС₁₀Н₆) – примерно 10^–8 с.

Применение жидких прозрачных люминофоров позволило значительно увеличить рабочий объем счетчиков. Например, в опытах по регистрации электронного антинейтрино 1956 г. объем жидкого люминофора составлял 5000 л.

Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокое быстродействие (10^–7–10^–8 с), высокая эффективность счета (100 % по заряженным частицам и 30 % по g -квантам), возможность оценки энергии частиц. Недостатки: более высокая по сравнению с газоразрядными счетчиками конструктивная сложность, меньшая надежность.

Люминесцентные счетчики являются сейчас одним из основных типов регистраторов как в ядерной физике, так и в ее технических приложениях.

5. Черенковский счетчик – это разновидность люминесцентного счетчика. В его основе лежит эффект Черенкова, который состоит в том, что заряженная частица, движущаяся в диэлектрике со скоростью, большей фазовой скорости света в этом диэлектрике, генерирует в направлении тонкой стенки конуса оптическое излучение (см. §9 п.7). С помощью ФЭУ это излучение регистрируется.

Основное назначение черенковских счетчиков состоит в измерении энергии быстрых частиц по величине угла q при вершине конуса. Поэтому они применяются в исследованиях частиц высоких энергий.

6. Камера Вильсона. Исторически – это первый трековый регистратор. Сконструировал камеру Чарльз Вильсон в 1912г. Камера Вильсона представляет собой цилиндр 1, в верхнем основании которого сделано стеклянное окно 2 (рис.163). На верхней поверхности поршня 4 помещается черная влажная бумага 3. Когда поршень неподвижен, то уже через несколько секунд воздух над поршнем приобретает 100 %-ю при данной температуре относительную влажность. Это состояние устойчивого термодинамического равновесия. При попадании в цилиндр ионизирующей частицы никаких видимых глазом изменений не наблюдается.

При быстром смещении поршня вниз воздух в цилиндре адиабатно расширяется (примерно на 20 %). Температура воздуха также быстро падает. Пар становится перенасыщенным. Но если воздух в цилиндре хорошо очищен и центров конденсации для избыточной влаги нет, то пар над поршнем в течение нескольких секунд будет находиться в неустойчивом метастабильном состоянии.

Если в это время внутрь цилиндра влетит ионизирующая частица, то вдоль ее траектории на образовавшихся при ионизации воздуха ионах быстро (≈1 с) конденсируется влага. На ионах образуются капельки тумана. При надлежащем освещении на темном фоне поршня виден белесоватый след 5 – трек частицы толщиной до 1 мм. Через несколько секунд из-за диффузии и конвекции трек начинает размываться. Но этого времени достаточно, чтобы трек сфотографировать. В течение 1 минуты камера может давать от 1 до 3 расширений.

В 1923 г. Петр Капица и Дмитрий Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в магнитное поле. Благодаря полю, траектория заряженной частицы искривляется. Это дает возможность определять удельный заряд частицы.

Камера Вильсона позволяет:

а. Определить число частиц, влетевших в камеру, и направление их движения;

б. Определить энергию частиц. Для этого надо сосчитать число капелек тумана, приходящихся на 1 мм длины трека. Зная длину трека (измеряется по фотографии) и энергию ионизации молекул газа, можно оценить энергию частицы, соответствующую уместившемуся в камере отрезку трека.

в. Определять удельный заряд частиц. По фотографии трека измеряется радиус его кривизны R. Зная индукцию В магнитного поля и вычисленную из энергии Е скорость частицы v =, из формулы R = mvçeB находим eçm= çRB.

г. Определять схему распада частиц. Это удается, когда продукты распада нестабильной ионизирующей частицы дают треки, также умещающиеся внутри камеры. Для выявления таких событий приходится просматривать десятки тысяч фотографий.

Камера Вильсона сыграла выдающуюся роль в ядерной физике и в физике космических лучей. В течение почти полувека она была самым эффективным трековым детектором. И лишь в 60-е годы ХХ в. она утратила свое значение, уступив место пузырьковой камере.

7. Пузырьковая камера. Обычный размер камеры Вильсона 10-20 см, в редких случаях до 1 м. Частицы высоких энергий не успевают затормозиться полностью в газе на таких отрезках и потому уходят из камеры. Это снижает информативность их треков.

В 1952 г. Дональд Глезер изобрел пузырьковую камеру. В отличие от камеры Вильсона, заполненной газом, пузырьковая камера заполнена тщательно очищенной жидкостью. Поэтому длина треков в пузырьковой камере меньше. Например, треки в водородной камере короче примерно в 50 раз, в дейтериевой – в 100 раз, в пропановой – в 350 раз и т.д. Это делает ее пригодной для исследования частиц высоких энергий. Схема пузырьковой камеры показана на рис.164. Противоположные стенки камеры сделаны в виде двух стеклянных иллюминаторов 1 и 2. Жидкость, заполняющая камеру, освещается через иллюминатор 1. Фотографируются треки двумя-тремя фотоаппаратами 4 и 5 через иллюминатор 2 в контровом свете. Жидкость в камере сначала находиться при температуре, большей температуры кипения. От закипания она удерживается высоким давлением, которое создается поршнем 3. Для приведения камеры в рабочее состояние движением поршня (вниз по рисунку) давление в камере быстро (5-15 мс) понижается. После этого жидкость в камере переходит в метастабильное состояние перегретой жидкости. Если в этот момент в камеру войдет ионизирующая частица, то, тормозясь на атомах жидкости, она будет их ионизировать, то есть выбивать из них электроны. Вот на этих электронах и образуются, по-видимому, пузырьки пара вскипающей жидкости. За 1-3 мс они вырастают до 100-300 мкм в диаметре, формируя хорошо видимый в прозрачной жидкости трек, который фотографируется. За 1 секунду пузырьковая камера может совершить до 10 циклов.

Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камер Вильсона. Но уникальные камеры имеют очень большой объем. Например, фреоновая камера в г. Серпухове имеет объем 10,8 м³, в США построена водородная камера с объемом 33 м³.

В качестве рабочих жидкостей используется водород, дейтерий, гелий (криогенные камеры работают при температуре от –270 до –240^оС), а также пропан и фреоны (тяжеложидкостные камеры, работают при более высоких температурах и давлениях).

Пузырьковые камеры очень дороги, трудны в изготовлении и эксплуатации. Поэтому применяются лишь там, где без них нельзя обойтись. Например, на импульсных ускорителях очень больших энергий. Камера при этом включается синхронно с импульсом ускорителя. Трудоемкость обработки фотографий столь же велика, как и в камере Вильсона. Пузырьковые камеры дают уникальные возможности для исследований длинных цепей рождения и распадов частиц высоких энергий.

8. Толстослойные ядерные фотоэмульсии – это самые дешевые трековые регистраторы. Если толщина обычных фотоэмульсий около 10 мкм, то у ядерных - много больше, от 50 до сотен мкм. Стеклянные пластинки со слоем фотоэмульсии ставят на пути ионизирующих частиц, а после экспозиции проявляют. Вдоль траектории заряженной частицы появляется черный след, образованный зернами металлического серебра.

Зерна имеют размер около 1 мкм, а длина треков в эмульсии примерно в 2000 раз меньше, чем в камере Вильсона, и редко превышают 4 мм. Поэтому треки изучаются в микроскоп со средним увеличением 500-600 раз. Желатиновый слой проявленной и закрепленной фотоэмульсии практически прозрачен для света. Поэтому трек частицы виден в микроскоп как отрезок черной нити.

Чтобы измерить длину прямолинейного трека, микроскоп фокусируется сначала на один конец трека, а затем – на другой. Перемещения в горизонтальной плоскости D х и D y считываются с препаратоводителя, а вертикальное перемещение D z – с микрометрического винта тубуса. Затем вычисляется длина трека l = , а по ней – энергия частицы. Отсюда видно, что обработка ядерных фотоэмульсий – чрезвычайно трудоемкое дело, которое трудно автоматизировать.

Как и камеру Вильсона, фотопластинки можно помещать в магнитное поле. Но из-за малой длины треков в эмульсии индукция В поля должна быть примерно в 1000 раз больше.

Помимо дешевизны важнейшее достоинство ядерных фотоэмульсий состоит в возможности их длительного экспонирования. Особенно это необходимо при исследовании космических лучей. Появление частиц из космоса невозможно прогнозировать. Поэтому фотопластинки заворачиваются в черную бумагу и экспонируются на поверхности Земли в течение нескольких дней и даже месяцев.

9. Детектор нейтронов. Все они построены по двустепенчатому принципу: нейтрон, взаимодействуя, с веществом детектора, образует заряженные частицы, которые затем регистрируются обычным образом. Наиболее употребительны три типа детекторов:

а. Борный нейтронный счетчик. В основе его работы лежит реакция:

. (24.1)

Счетчик представляет собой обычную токовую ионизационную камеру, заполненную газом – фторидом бора BF₃. Проникающие в счетчик нейтроны производят реакцию (24.1), а ее продукты и , ионизируя газ, дают импульсы тока, которые регистрируются.

б. Литиевый нейтронный счетчик. Это люминесцентный счетчик на кристалле йодистого лития LiI. В основе работы счетчика лежит реакция:

(24.2)

Продукты реакции регистрируются обычным для люминесцентного счетчика образом. Так как пробег a -частиц и других легких ядер в твердых телах очень мал (не более 30 мкм), то люминесцентные нейтронные счетчики могут иметь очень малые размеры с эффективностью счета до 50 %.

в. Делительная камера представляет собой ионизационную камеру, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем (не более 1 мкм) оксида UO₂ урана-235. В основе работы этого счетчика лежит реакция деления ядер урана под действием медленных нейтронов. Образующиеся при делении ядер урана осколки имеют колоссальную энергию (до 200 МэВ) и громадную ионизирующую способность.

Все перечисленные детекторы регистрируют медленные нейтроны. Для регистрации быстрых нейтронов самым дешевым способом является обкладывание этих детекторов слоем замедлителя – парафина.