Детекторы ядерных излучений

Дете́кторы ядерных излуче́ний

Приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности (см. также Дозиметрия), измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц. Для последней наиболее сложной группы задач особенно полезны Д. я. и., позволяющие запечатлевать траектории отдельных частиц — Вильсона камера и её разновидность Диффузионная камера, Пузырьковая камера, Искровая камера, ядерные фотографические эмульсии (См. Ядерная фотографическая эмульсия). Действие всех Д. я. и. основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объём Д. я. и. В случае γ-квантов и нейтронов ионизацию и возбуждение производят вторичные заряженные частицы, возникающие в результате взаимодействия гамма-квантов или нейтронов с рабочим веществом детектора (см. Гамма-излучение, Нейтрон). Т. о., прохождение всех ядерных частиц через вещество сопровождается образованием свободных электронов, ионов, возникновением световых вспышек (сцинтилляций (См. Сцинтилляция)), а также химическими и тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или импульсов напряжения) на выходе Д. я. и. либо по почернению фотоэмульсии и др. Электрические сигналы обычно невелики и требуют усиления (см. Ядерная электроника). Мерой интенсивности потока ядерных частиц является сила тока на выходе Д. я. и., средняя частота следования электрических импульсов, степень почернения фотоэмульсии и т.д.

Важной характеристикой Д. я. и., регистрирующих отдельные частицы, является их эффективность — вероятность регистрации частицы при попадании её в рабочий объём Д. я. и. Эффективность определяется конструкцией Д. я. и. и свойствами рабочего вещества. Для заряженных частиц (за исключением очень медленных) она близка к 1; эффективность регистрации нейтронов и γ-квантов обычно меньше 1 и зависит от их энергии. Нередко необходимо, чтобы Д. я. и. был чувствителен только к частицам одного вида (например, нейтронный детектор не должен регистрировать γ-кванты).

Простейшим Д. я. и. является Ионизационная камера. Она представляет собой помещённый в герметическую камеру заряженный электрический конденсатор, заполненный газом. Если в камеру влетает заряженная частица, то в электрической цепи, связанной с электродами камеры, возникает ток, обусловленный ионизацией атомов газа; сила тока является мерой интенсивности потока частиц. Камеры используются также и в режиме регистрации импульса напряжения, вызываемого отдельной частицей; величина импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе камеры. Ионизационные камеры регистрируют все виды ядерных излучений, но их конструкция и состав газа зависят от типа регистрируемого излучения.

При увеличении разности потенциалов между электродами камеры электроны, возникающие в рабочем объёме камеры, при своём движении к электроду приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации нейтральных молекул газа. Благодаря этому импульс напряжения на выходе возрастает и его легче регистрировать. На описанном принципе основана работа пропорционального счётчика (См. Пропорциональный счётчик), применяемого для измерения интенсивности потока и энергии частиц и квантов.

В Гейгера — Мюллера счётчике напряжённость электрического поля между электродами имеет ещё большую величину, что приводит к возрастанию ионизационного тока за счёт вторичной ионизации. Амплитуда импульса на выходе перестаёт быть пропорциональной энергии первичной частицы, однако эта амплитуда становится весьма большой, что облегчает регистрацию импульсов. Счётчики Гейгера — Мюллера благодаря простоте конструкции получили широкое распространение для регистрации α-, β-частиц и γ-квантов.

Действие сцинтилляционного детектора основано на явлении флуоресценции (См. Флуоресценция), возникающей при взаимодействии ядерных частиц со сцинтилляторами — специальными жидкостями, пластмассами, кристаллами, а также благородными газами. Световая вспышка регистрируется фотоэлектронным умножителем (См. Фотоэлектронный умножитель), преобразующим её в электрический импульс. Сцинтилляционные Д. я. и. обладают высокой эффективностью для γ-квантов и быстродействием. Амплитуды выходного сигнала пропорциональны энергии, переданной сцинтиллятору частицей, что позволяет использовать эти детекторы для измерения энергии ядерных частиц (см. Сцинтилляционный спектрометр). Высокая эффективность сцинтилляционных Д. я. и. обусловлена тем, что, в отличие от ионизационных камер, пропорциональных счётчиков и счётчиков Гейгера — Мюллера, рабочее вещество детектора является плотным и поглощающая способность его примерно в 10³ раз превосходит поглощающую способность газа при давлении ~1 атм.

Высокой эффективностью обладает также Кристаллический счётчик. Его действие аналогично действию ионизационной камеры. Если в ионизационной камере заряженная частица образует свободные электроны и ионы, то в кристаллическом диэлектрическом (алмаз, сернистый цинк и др.) счётчике возникают электронно-дырочные пары. Кристаллические счётчики применяются сравнительно редко.

Использование в качестве рабочего вещества полупроводниковых кристаллов (обычно кремния или германия с примесью лития) позволяет наряду с высокой эффективностью получать очень хорошее энергетическое разрешение, превышающее разрешающую способность сцинтилляционных Д. я. и. и сравнимое с разрешением, достигаемым в гораздо менее светосильных магнитных спектрометрах (см. Бета-спектрометр). Поэтому полупроводниковые Д. я. и. широко применяются для прецизионных измерений энергетического спектра ядерного излучения (см. Полупроводниковый спектрометр). Некоторые типы полупроводниковых детекторов необходимо охлаждать до температур, близких к температуре жидкого азота.

Для измерения энергии очень быстрых частиц находит применение черенковский счётчик, основанный на регистрации Черенкова — Вавилова излучения (См. Черенкова-Вавилова излучение). Для регистрации быстрых тяжёлых ионов, например осколков деления ядер, иногда используют диэлектрические детекторы.

Лит.: Калашникова В. И., Козодаев М. С., Детекторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, [ч. 1]); Принципы и методы регистрации элементарных частиц, сост. ред. Л. К. Юан и Цзянь-сюн By, пер. с англ., М., 1963; Иванов В. И., Дозиметрия ионизирующих излучений, М., 1964.

В. П. Парфёнова, Н. Н. Делягин.