ДЕТЕКТОРЫ

Частиц, приборы и устройства для регистрации элем. ч-ц (протонов, нейтронов, эл-нов, мезонов и т. д.), ат. ядер (дейтронов, a-частиц и др.), а также рентгеновских л g-квантов. Различают электронные Д., вырабатывающие электрич. импульс, когда в объем Д. попадает ч-ца или квант. и трековые Д., позволяющие не только зарегистрировать факт и момент прохождения ч-цы, но и воспроизвести её траекторию (трек).

Важнейшие характеристики детекторов: 1) эффективность — вероятность регистрации ч-цы при попадании её в рабочий объём Д.; 2) пространств. разрешение — точность, с к-рой Д. способен локализовать положение ч-цы в пр-ве; 3) временное разрешение (разрешающее время) — мин. интервал времени между прохождением двух ч-ц через Д., когда они регистрируются порознь, т. е. сигналы Д. не накладываются друг на друга; 4) мёртвое время (время восстановления) — время, за к-рое Д., зарегистрировавший одну ч-цу, успевает вернуться в исходное состояние и быть готовым для регистрации след. ч-цы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Частицы, прошедшие через Д. за это время, не регистрируются. Время нечувствительности явл. мерой инерционности Д. Оно ограничивает макс. интенсивность излучения, к-рое может регистрировать Д. (см. табл.).

Ионизационные детекторы составляют наиб. обширную группу электронных Д. Их действие основано на ионизации атомов и молекул, вызываемой регистрируемой ч-цей. Если ч-ца не имеет электрич. заряда (нейтроны, g-кванты), то ионизацию могут вызывать вторичные заряж. ч-цы (протоны отдачи, эл-ны и позитроны). Один из первых Д., применявшихся англ. физиком Э. Резерфордом,— ионизационная камера. Это — камера, заполненная газом с электродами, на к-рые подаётся напряжение. Заряж. ч-ца, проходя через камеру, ионизует газ; образующиеся ионы и эл-ны собираются на электродах, создавая в цепи камеры ток. Ионизац. камеры применяются для регистрации как отд. ч-ц (импульс тока), так и для измерения их интегр. потоков. Т. к. время собирания на электрод эл-нов в 103—104 раз меньше, чем время собирания ионов, то при регистрации отд. ч-ц для получения высокого временного разрешения используется, как правило, только электронный компонент сигнала. Временное разрешение определяется подвижностью эл-нов и составляет 10-6 с. Пространств. разрешение определяется геом. размерами камеры. Ионизац. камеры применяются до сих пор, в частности в дозиметрии. Они просты, имеют высокую эффективность регистрации, позволяют оценивать энергию ч-цы (выходной сигнал пропорц. энергии, затраченной ч-цей на ионизацию) и т. п.; однако их временное разрешение невелико и амплитуда электрич. сигнала мала, что приводит к необходимости усиления сигнала и делает аппаратуру чувствительной к помехам и шумам.

Рис. 1. Зависимость амплитуды импульсов, вырабатываемых ионизац. детектором, от напряжения V на электродах в случае прохождения через детектор быстрой косм. ч-цы, образующей 10—20 пар ионов, и a-частицы, создающей 105 пар ионов.

Недостатки ионизац. камеры в значит. степени устранены в пропорциональном счётчике, где эл-ны, образованные заряж. ч-цей, двигаясь к аноду, приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации. В результате на анод приходит электронная лавина, амплитуда сигнала велика и в ряде случаев (напр., при регистрации ex-частиц) не требуется усиления. В пропорц. счётчике сигнал, так же как и в ионизац. камере, пропорц. энергии ч-цы, затраченной на ионизацию (рис. 1). Гл. недостатки: сильная зависимость амплитуды импульса от состава газовой смеси и приложенного напряжения и недостаточно высокое временное разрешение (=10-7 с). В связи с появлением ЭВМ пропорц. счётчики получили второе рождение в виде пропорциональных камер, к-рые представляют собой совокупность большего числа (=103—104) пропорц. счётчиков в одном объёме.

Если увеличивать напряжение на электродах пропорц. счётчика, то, начиная с нек-рого напряжения, все импульсы, какими бы ч-цами они ни были вызваны, становятся одинаковыми по величине и продолжают расти с увеличением напряжения. Это т. н. область Гейгера, а Д. наз. счётчиками Гейгера (см. ГЕЙГЕРА СЧЁТЧИК). Счётчики Гейгера имеют высокую эффективность и большую амплитуду сигнала. Недостатки: невысокое временное разрешение (10-6 с), большое время восстановления (10-4—10-3 с), а также невозможность измерять энергию ч-цы.

Ионизац. Д. сыграли фундам. роль на раннем этапе развития яд. физики. Они применялись для регистрации радиоакт. излучений от слабых естеств. радиоакт. источников (a-, b-частицы, g-лучи, (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ) и космических лучей. С появлением ускорителей, создающих интенсивные пучки заряж. ч-ц (106 —107 частиц/с) высоких энергий, ионизац. Д. оказались слишком медленными и были вытеснены сцинтилляционными счётчиками и черенковскими счётчиками. Появившись в экспериментах на ускорителях, эти Д. оказались удобными и при исследовании космических лучей и др.

Сцинтилляционные детекторы состоят из сцинтиллятора, в к-ром заряж. ч-ца создаёт световую вспышку, и одного или нескольких ФЭУ, регистрирующих эту вспышку. Высокое временное разрешение сцинтилляц. счётчика =10-9 с; большая амплитуда сигнала на выходе ФЭУ и малое время восстановления =10-8 с обеспечили ему широкое применение. Пространств. разрешение определяется размерами сцинтиллятора. Существуют огромные сцинтилляц. Д., размер к-рых порядка неск. м3. Дальнейшее развитие этих Д. связано с разработкой более быстрых ФЭУ и сцинтилляторов (пластмасс) с более короткими временами высвечивания.

Черенковские счётчики. Заряж. ч-ца, двигаясь в в-ве (радиаторе) со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, излучает свет, коррелированный с направлением движения (см. ЧЕРЕНКОВА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ). Общее кол-во света, к-рое попадает на фотокатод в черенковском счётчике, как правило, в неск. десятков раз меньше, чем в сцинтилляц. Д., но всё же достаточно для регистрации прошедших через радиатор ч-ц. Т. к. испускание света в этих Д. возможно только для ч-ц, скорость к-рых больше фазовой скорости света в данной среде, то они используются для выделения ч-ц заданной скорости (пороговые Д.) и определения скорости ч-цы по углу раствора конуса излучения. Применение спец. оптич. систем позволяет сделать черенковские счётчики чувствительными к нек-рому интервалу скоростей регистрируемых ч-ц (д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы е Д.). Т. к. излучение света в счётчиках Черенкова происходит мгновенно, то их разрешающее время достигает 10-9 с. Для регистрации заряж. ч-ц с энергией = 1011 —1012 эВ используются Д., в к-рых вспышки света возникают при прохождении регистрируемой ч-цы через границу двух сред с резко различными св-вами (обычно газ — тв. тело, (см. ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). Интенсивность света, излучаемого при этом, пропорц. энергии ч-цы, но значительно меньше, чем в случае черенковского излучения. Поэтому Д. на переходном излучении делают многослойными, они содержат сотни слоев газ — тв. в-во.

Полупроводниковые детекторы по принципу работы аналогичны ионизационным с тем преимуществом для быстрых ч-ц, что в нём используется тв. среда с более высокой тормозной способностью. Разрешающее время ПП Д. мало (= 10-9 с). ПП Д. обладают высокой надёжностью, могут работать в магн. полях. Осн. недостаток, ограничивающий их применение, небольшие размеры (?10 см2, (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР).

Для работы всех импульсных Д. (включая диэлектрический детектор и кристаллический счётчик), регистрирующих отд. ч-цы, большое значение имеет электронная регистрирующая аппаратура. Она явл. по существу частью Д., к-рый можно рассматривать как датчик сигнала. Помимо усиления амплитуды сигнала и преобразования электрич. сигналов, эта аппаратура выполняет ряд логич. операций, необходимых для изучения разл. яд. процессов (см. СОВПАДЕНИЙ МЕТОД, ЯДЕРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА).

Трековые детекторы обладают высоким пространств. разрешением. Временное же разрешение их либо не очень высоко, либо практически отсутствует. Этот недостаток они компенсируют чрезвычайно полной и детальной картиной «события», к-рое может быть элем. актом вз-ствия ч-цы с веществом, распадом ч-цы и т. д.

Простейшими трековыми Д. явл. ядерные фотографические эмульсии. Прохождение заряж. ч-цы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряж. ч-ц предстают в виде цепочки зёрен металлич. серебра. Благодаря малому размеру зёрен можно получить высокое пространств. разрешение, а детальное изучение структуры следа позволяет определить массу, заряд и энергию ч-ц. По трекам иногда можно восстановить всю историю ч-ц от их «рождения» до распада, акта вз-ствия или остановки. В эмульсии были открыты и изучены мн. элем. ч-цы. Гл. недостатки: сложность процедуры поиска и обмера событий, ограниченный набор ядер-мишеней, с к-рыми взаимодействуют изучаемые ч-цы, трудности при обработке треков ч-ц высоких энергий.

Классическим трековым Д., к-рый сыграл большую роль в изучении радиоактивности и косм. лучей, явл. Вильсона камера и её разновидность — диффузионная камера. След ионизирующей ч-цы, попавшей в камеру, наполненную газом и пересыщенными парами спирта или воды, становится видимым благодаря возникновению вокруг образованных ею ионов капелек конденсиров. пара. Для регистрации треков камеру Вильсона в нужный момент освещают импульсным источником света и фотографируют (стереоскопически). Помещая камеру Вильсона в магн. поле, можно по кривизне треков определить импульс ч-цы и знак её электрич. заряда. Разновидностью камеры Вильсона явл. диффузионная камера. В дальнейшем камеры Вильсона в экспериментах были вытеснены пузырьковыми и искровыми камерами.

Пузырьковая камера — один из осн. трековых Д. в экспериментах на ускорителях. Если привести жидкость в перегретое состояние, то она нек-рое время не вскипает. Когда через такую перегретую жидкость пролетает ионизирующая ч-ца, то начинается вскипание. Пока пузырьки пара не успели вырасти до больших размеров, их можно осветить и сфотографировать. Измерение кривизны треков заряж. ч-ц в магн. поле, как и в камерах Вильсона, позволяет измерить импульс и знак заряда ч-цы. Гл. достоинства пузырьковых камер: высокая эффективность при регистрации практически любого числа заряж. ч-ц, появляющихся в одном акте вз-ствия, высокая точность при измерении углов и импульсов ч-ц, а для камер с тяжёлыми жидкостями — высокая конверсионная способность к g-квантам (см. КОНВЕРСИЯ ВНУТРЕННЯЯ). Недостаток — ограниченное число исследуемых ч-ц, к-рые одновременно можно пропустить через камеру, т. к. при большом их числе на одной фотографии возникают сложности обработки каждого отд. события.

Искровые камеры появились в кон. 50-х гг. Заряж. ч-ца ионизует газ, и вдоль траектории ч-цы в момент её прохождения образуется колонка из эл-нов и ионов. Если после прохождения ч-цы через время ?1 мкс на электроды камеры подать достаточно высокое напряжение, то между ними произойдёт искровой пробой именно в том месте, где проходила ч-ца. Искровые камеры обладают пространств. разрешением пузырьковых камер и в то же время позволяют работать в пучках в =105 раз более интенсивных, причём можно регистрировать не все ч-цы, а выборочно. Простейший способ регистрации искр — фотографирование. Однако в связи с внедрением ЭВМ появились т. н. бесфильмовые искровые камеры. В них координаты искр записываются в память ЭВМ, где сразу же подвергаются матем. обработке.

Траектория ч-цы может быть зарегистрирована с помощью системы импульсных Д., образующих телескоп счётчиков.

Рис. 2. Прохождение быстрой ч-цы через две группы импульсных детекторов (каждый квадрат — детектор), расположенные поперёк траектории ч-ц (годоскопы) и образующие телескоп счётчиков.

По номерам счётчиков, давших сигнал о прохождении ч-цы, можно определить её траекторию. Точность измерений определяется величиной зачернённого угла (рис. 2). Помещая их в магн. поле, можно измерять импульсы заряж. ч-ц и их знак. Следы тяжёлых заряж. ч-ц, образующихся, напр., при делении атомного ядра, можно обнаруживать с помощью нек-рых кристаллов.

(см. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, КАЛОРИМЕТР ИОНИЗАЦИОННЫЙ).