ДЕТЕ́КТОРЫ ЧАСТИ́Ц

ДЕТЕ́КТОРЫ ЧАСТИ́Ц, при­бо­ры для ре­ги­ст­ра­ции час­тиц (про­то­нов, ней­тро­нов, ос­кол­ков де­ле­ния ядер, элек­тро­нов, $\gamma$-кван­тов, ней­три­но и др.). Д. ч. при­ме­ня­ют­ся для оп­ре­де­ле­ния ти­па ядер­но­го из­лу­че­ния и из­ме­ре­ния его осн. харак­те­ри­стик (ин­тен­сив­но­сти, энер­ге­ти­че­ско­го и про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ний и др.). Д. ч. ис­поль­зу­ют в экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ни­ях на ус­ко­ри­те­лях за­ря­жен­ных час­тиц, ядер­ных ре­ак­то­рах, при ис­сле­до­ва­нии кос­мич. лу­чей, а так­же в до­зи­мет­рии и ра­дио­мет­рии.

Дей­ст­вие Д. ч. ос­но­ва­но на разл. про­цес­сах взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц с ве­ще­ст­вом. Осн. про­цес­са­ми, ко­то­рые вы­зы­ва­ют­ся за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми, яв­ля­ют­ся ио­ни­за­ция и воз­бу­ж­де­ние ато­мов и мо­ле­кул, а так­же (для ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц) воз­бу­ж­де­ние че­рен­ков­ско­го и пе­ре­ход­но­го из­лу­че­ний. Ней­траль­ные час­ти­цы (ней­тро­ны, $\gamma$-кван­ты и др.) ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся по вто­рич­ным за­ря­жен­ным час­ти­цам, по­яв­ляю­щим­ся в ре­зуль­та­те их взаи­мо­дей­ст­вия с ве­ще­ст­вом. В слу­чае $\gamma$-кван­тов это элек­тро­ны, воз­ни­каю­щие за счёт фо­то­эф­фек­та, эф­фек­та Ком­пто­на, ро­ж­де­ния элек­трон-по­зи­трон­ных пар. Бы­ст­рые ней­тро­ны ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся по за­ря­жен­ным про­дук­там взаи­мо­дей­ст­вия (яд­рам, про­то­нам, ме­зо­нам и др.), мед­лен­ные ней­тро­ны – по из­лу­че­нию, со­про­во­ж­даю­ще­му их за­хват яд­ра­ми ве­ще­ст­ва (см. Ней­трон­ные де­тек­то­ры).

Наи­бо­лее об­шир­ную груп­пу Д. ч. со­став­ля­ют ио­ни­за­ци­он­ные де­тек­то­ры, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул, вы­зы­вае­мых за­ря­жен­ной час­ти­цей в ве­ще­ст­ве ра­бо­че­го объ­ё­ма де­тек­то­ра. Ио­ни­за­ци­он­ные де­тек­то­ры под­раз­де­ля­ют­ся на элек­трон­ные, в ко­то­рых об­ра­зую­щие­ся за счёт ио­ни­за­ции га­за элек­тро­ны и ио­ны вы­зы­ва­ют ре­ги­ст­ри­руе­мый элек­трич. им­пульс, и тре­ко­вые, по­зво­ляю­щие вос­про­из­ве­сти тра­ек­то­рию (трек) час­ти­цы. Ес­ли из­на­чаль­ным от­кли­ком де­тек­то­ра на по­па­даю­щие в не­го час­ти­цы яв­ля­ет­ся све­то­вой (фо­тон­ный) сиг­нал, та­кие де­тек­то­ры на­зы­ва­ют­ся фо­тон­ны­ми.

Иден­ти­фи­ка­ция ти­па из­лу­че­ния до­сти­га­ет­ся вы­бо­ром ве­ще­ст­ва, с ко­то­рым про­ис­хо­дит взаи­мо­дей­ст­вие, а так­же при­ме­не­ни­ем разл. ме­то­дов де­тек­ти­ро­ва­ния: из­ме­ре­ние час­ти энер­ге­тич. по­терь $\Delta E$ в ве­ще­ст­ве в срав­не­нии с пол­ным энер­го­вы­де­ле­ни­ем $E$ ($\Delta E-E$ ме­тод); из­ме­ре­ние вре­мён про­лё­та раз­ных час­тиц на фик­си­ро­ван­ной ба­зе (вре­мя­про­лёт­ный ме­тод); ме­тод ана­ли­за фор­мы им­пуль­са (АФИ ме­тод); ме­тод, ос­но­ван­ный на ана­ли­зе глу­би­ны и диа­мет­ра про­трав­лен­но­го тре­ка, и др.

Основные характеристики детекторов

Эф­фек­тив­ность ре­ги­ст­ра­ции Д. ч. (ве­ро­ят­ность ре­ги­ст­ра­ции час­ти­цы при по­па­да­нии в ра­бо­чий объ­ём Д. ч.) оп­ре­де­ля­ет­ся его кон­ст­рук­ци­ей и свой­ст­ва­ми ра­бо­че­го ве­ще­ст­ва. Для за­ря­жен­ных час­тиц, как пра­ви­ло, эф­фек­тив­ность близ­ка к 100%, для ней­тро­нов и $\gamma$-кван­тов она за­мет­но мень­ше 100% (т. к. ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся про­цес­сы вто­рич­ной ио­ни­за­ции) и силь­но за­ви­сит от энер­гии час­тиц. Ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния, по­пав­ше­го в Д. ч., оп­ре­де­ля­ет­ся по час­то­те сле­до­ва­ния элек­трич. им­пуль­сов, по ве­ли­чи­не си­лы то­ка, сте­пе­ни по­чер­не­ния фо­то­эмуль­сии, плот­но­сти тре­ков и др.

К важ­ным ха­рак­те­ри­сти­кам Д. ч. от­но­сят­ся так­же бы­ст­ро­дей­ст­вие (спо­соб­ность ре­ги­ст­ри­ро­вать две час­ти­цы как отд. со­бы­тия за ми­ним. ин­тер­вал вре­ме­ни) и мёрт­вое вре­мя (ин­тер­вал вре­ме­ни, в те­че­ние ко­то­ро­го де­тек­тор не спо­со­бен ре­ги­ст­ри­ро­вать оче­ред­ное со­бы­тие). С бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем Д. ч. на­пря­мую свя­за­но его вре­меннóе раз­ре­ше­ние (ср. по­греш­ность в оп­ре­де­ле­нии вре­меннóй от­мет­ки). К бы­ст­ро­дей­ст­вую­щим де­тек­то­рам мож­но от­не­сти боль­шин­ст­во де­тек­то­ров на ор­га­нич. сцин­тил­ля­то­рах, ряд де­тек­то­ров на не­ор­га­нич. сцин­тил­ля­то­рах, про­пор­цио­наль­ные счёт­чи­ки и др., вре­меннóе раз­ре­ше­ние ко­то­рых со­став­ля­ет 0,1–0,5 нс. Энер­ге­тич. раз­ре­ше­ние (энер­ге­тич. раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность) $R_E$ Д. ч. оп­ре­де­ля­ет­ся в осн. свой­ст­ва­ми ра­бо­че­го ве­ще­ст­ва и до­лей энер­гии, ос­тав­ляе­мой час­ти­цей в де­тек­то­ре. За ве­ли­чи­ну $R_E$ обыч­но при­ни­ма­ют пол­ную ши­ри­ну спек­траль­ной ли­нии $\alpha$- или $\gamma$-ис­точ­ни­ка на её по­лу­вы­со­те, по­лу­чен­ную из из­ме­ре­ний. Са­мым вы­со­ким энер­ге­тич. раз­ре­ше­ни­ем об­ла­да­ют де­тек­то­ры на ос­но­ве сверх­чис­то­го гер­ма­ния ($R_E$= 0,5–1,0 кэВ для $\gamma$-из­лу­че­ния с $E$= 122,1 кэВ), по­лу­про­вод­ни­ко­вые крем­ние­вые и мо­но­кри­стал­ли­че­ские ал­маз­ные Д. ч. ($R_E$= 15–30 кэВ для $\alpha$-час­тиц с $E$= 5485,6 кэВ). Са­мое низ­кое энер­ге­тич. раз­ре­ше­ние у га­зо­вых Д. ч. ($R_E$= 100–300 кэВ для $\alpha$-час­тиц с $E$= 5485,6 кэВ). Т. н. по­зи­ци­он­но-чув­ст­ви­тель­ные Д. ч. спо­соб­ны оп­ре­де­лять ко­ор­ди­на­ты час­тиц в про­стран­ст­ве в од­ной или двух плос­ко­стях. Про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние (точ­ность ло­ка­ли­за­ции час­ти­цы в про­стран­ст­ве) со­став­ля­ет (2–5)·10^–2 мм для мик­ро­стри­по­вых крем­ние­вых де­тек­то­ров и по­ряд­ка 10^–5 мм для тре­ко­вых твер­до­тель­ных ди­элек­трич. де­тек­то­ров.

Электронные детекторы частиц

К элек­трон­ным де­тек­то­рам от­но­сят­ся по­лу­про­вод­ни­ко­вый де­тек­тор, ио­ни­за­ци­он­ная ка­ме­ра и ана­ло­гич­ные га­зо­вые при­бо­ры.

Га­зо­вые ио­ни­за­ци­он­ные Д. ч. пред­став­ля­ют со­бой, по су­ти де­ла, кон­ден­са­то­ры, в ко­то­рых про­стран­ст­во ме­ж­ду элек­тро­да­ми за­пол­не­но к.-л. га­зом. При про­хо­ж­де­нии за­ря­жен­ных час­тиц в га­зо­вом объ­ё­ме про­ис­хо­дит ио­ни­за­ция ве­ще­ст­ва, за­клю­чён­но­го ме­ж­ду дву­мя элек­тро­да­ми с разл. по­тен­циа­ла­ми, в ре­зуль­та­те че­го в элек­трич. це­пи воз­ни­ка­ет ток. При не­вы­со­кой на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля ток в це­пи не за­ви­сит от на­пря­же­ния на кон­ден­са­то­ре и ра­вен про­из­ве­де­нию за­ря­да элек­тро­на на чис­ло пар ио­нов в еди­ни­цу вре­ме­ни. Та­кие де­тек­то­ры на­зы­ва­ют­ся ио­ни­за­ци­он­ны­ми ка­ме­ра­ми. При под­бо­ре со­от­вет­ст­вую­ще­го га­за и кон­ст­рук­ции ио­ни­за­ци­он­ные ка­ме­ры спо­соб­ны ре­ги­ст­ри­ро­вать прак­ти­че­ски все ви­ды из­лу­че­ний.

При бо­лее вы­со­ких зна­че­ни­ях на­пря­жён­но­сти по­ля воз­ни­ка­ет вто­рич­ная ио­ни­за­ция и ток на кон­ден­са­то­ре на­чи­на­ет за­ви­сеть от на­пря­же­ния и ста­но­вит­ся про­пор­цио­на­лен ио­ни­за­ци­он­но­му эф­фек­ту, соз­да­вае­мо­му час­ти­ца­ми. Та­кие де­тек­то­ры на­зы­ва­ют­ся про­пор­цио­наль­ны­ми счёт­чи­ка­ми, они при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния и оп­ре­де­ле­ния энер­гии час­тиц. При ещё бо­лее вы­со­ких на­пря­жён­но­стях по­ля в кон­ден­са­то­ре воз­ни­ка­ет раз­ряд при по­па­да­нии час­ти­цы в де­тек­тор, и по­это­му их на­зы­ва­ют га­зо­раз­ряд­ны­ми счёт­чи­ка­ми. Наи­бо­лее из­вест­ным при­ме­ром яв­ля­ет­ся Гей­ге­ра счёт­чик, ис­поль­зуе­мый для ре­ги­ст­ра­ции $\alpha$-, $\beta$- и $\gamma$-из­лу­че­ний. Ес­ли в ём­кость ме­ж­ду кон­ден­са­то­ра­ми по­мес­тить сжи­жен­ный газ (обыч­но ар­гон или ксе­нон), то по­лу­чит­ся жид­кий ио­ни­за­ци­он­ный де­тек­тор, ко­то­рый от­ли­ча­ет­ся хо­ро­шим энер­ге­ти­че­ским и про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем. Та­кой де­тек­тор, на­зы­вае­мый ио­ни­за­ци­он­ным ка­ло­ри­мет­ром, ис­поль­зу­ет­ся для ре­ги­ст­ра­ции ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц.

По­лу­про­вод­ни­ко­вый де­тек­тор мож­но рас­смат­ри­вать как ио­ни­за­ци­он­ную ка­ме­ру с твёр­дым ди­элек­три­ком ме­ж­ду элек­тро­да­ми, од­на­ко в по­лу­про­вод­ни­ках про­цес­сы об­ра­зо­ва­ния и дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да не­сколь­ко иные, чем в га­зе. Ср. энер­гия, рас­хо­дуе­мая на соз­да­ние од­ной па­ры ио­нов в га­зе, со­став­ля­ет ок. 35 эВ для воз­ду­ха и ок. 27 эВ для ар­го­на, в то вре­мя как для крем­ния и гер­ма­ния она рав­на 3,7 и 3,0 эВ со­от­вет­ст­вен­но. За счёт это­го по­лу­про­вод­ни­ко­вые де­тек­то­ры име­ют бо­лее вы­со­кое энер­ге­ти­че­ское и вре­меннóе раз­ре­ше­ние. Вы­со­кая эф­фек­тив­ность ре­ги­ст­ра­ции бы­ст­рых час­тиц и $\gamma$-кван­тов по­лу­про­вод­ни­ко­вым де­тек­то­ром обу­слов­ле­на вы­со­кой плот­но­стью ве­ще­ст­ва де­тек­то­ра (на три по­ряд­ка вы­ше, чем в га­зе) и воз­мож­ностью соз­да­ния объ­ём­ных де­тек­то­ров (неск. со­тен см³).

Трековые детекторы частиц

Отд. класс ио­ни­за­ци­он­ных де­тек­то­ров со­став­ля­ют тре­ко­вые де­тек­то­ры, в ко­то­рых про­хо­ж­де­ние за­ря­жен­ной час­ти­цы фик­си­ру­ет­ся в ви­де тре­ка час­ти­цы. К тре­ко­вым Д. ч. от­но­сят­ся: Виль­со­на ка­ме­ра и диф­фу­зи­он­ная ка­ме­ра, ра­бо­таю­щие за счёт об­ра­зо­ва­ния кон­ден­са­та пе­ре­сы­щен­но­го па­ра на ио­нах; пу­зырь­ко­вая ка­ме­ра, тре­ки в ко­то­рой фор­ми­ру­ют­ся за счёт вски­па­ния пе­ре­гре­той жид­ко­сти; ис­кро­вая ка­ме­ра, даю­щая след час­ти­цы в ви­де ис­кро­во­го про­боя при по­да­че на элек­тро­ды им­пульс­но­го на­пря­же­ния до сот­ни ки­ло­вольт; стри­мер­ная ка­ме­ра, след в ко­то­рой об­ра­зу­ет­ся сла­бо­све­тя­щи­ми­ся элек­трон­ны­ми ла­ви­на­ми; ядер­ные фо­то­гра­фи­че­ские эмуль­сии на ос­но­ве отд. кри­стал­лов или зё­рен AgBr. К тре­ко­вым Д. ч. от­но­сят так­же ди­элек­три­че­ский де­тек­тор на ос­но­ве твер­до­тель­но­го ди­элек­три­ка (ти­па слю­ды, квар­ца, по­ли­про­пи­ле­на и др.), даю­щий по­сле хи­мич. трав­ле­ния от­чёт­ли­вые тре­ки лёг­ких и тя­жё­лых за­ря­жен­ных час­тиц. Та­кой де­тек­тор по­зво­ля­ет из­ме­рять ин­те­граль­ный по­ток час­тиц в ус­ло­ви­ях ин­тен­сив­но­го фо­на сла­бо­ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний, оп­ре­де­лять за­ряд, мас­су и энер­гию час­тиц, а так­же от­ли­ча­ет­ся очень вы­со­ким про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем.

Фотонные детекторы частиц

К это­му ти­пу от­но­сят­ся сцин­тил­ля­ци­он­ный де­тек­тор и че­рен­ков­ский счёт­чик, в ко­то­рых для пре­об­ра­зо­ва­ния све­та в элек­трич. сиг­на­лы ис­поль­зу­ют­ся разл. фо­то­при­ём­ни­ки: фо­то­ум­но­жи­те­ли, фо­то­дио­ды, фо­то­эле­мен­ты и др. Дей­ст­вие сцин­тил­ля­ци­он­но­го де­тек­то­ра ос­но­ва­но на ре­ги­ст­ра­ции вспы­шек из­лу­че­ния (сцин­тил­ля­ций) в ви­ди­мой и УФ об­лас­тях спек­тра. Осн. эле­мен­та­ми та­ко­го де­тек­то­ра яв­ля­ют­ся сцин­тил­ля­тор, в ко­то­ром про­хо­дя­щая час­ти­ца вы­зы­ва­ет све­то­вую вспыш­ку, и фо­то­при­ём­ник, ре­ги­ст­ри­рую­щий вспыш­ку. Сцин­тил­ля­ци­он­ные де­тек­то­ры ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким вре­менным раз­ре­ше­ни­ем, боль­шой ам­пли­ту­дой сиг­на­ла на вы­хо­де фо­то­при­ём­ни­ка и ма­лым вре­ме­нем вос­ста­нов­ле­ния. Для де­тек­ти­ро­ва­ния ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц и их раз­де­ле­ния по ско­ро­стям при­ме­ня­ют­ся че­рен­ков­ские счёт­чи­ки. В че­рен­ков­ском счёт­чи­ке за­ря­жен­ная час­ти­ца, дви­га­ясь со ско­ро­стью, пре­вы­шаю­щей фа­зо­вую ско­рость све­та в сре­де, из­лу­ча­ет свет, кор­ре­ли­ро­ван­ный с на­прав­ле­ни­ем дви­же­ния (см. Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва из­лу­че­ние). T. к. из­лу­че­ние све­та про­ис­хо­дит мгно­вен­но, то вре­мен­нóе раз­ре­ше­ние оп­ре­де­ля­ет­ся ха­рак­те­ри­сти­ка­ми фо­то­при­ём­ни­ка. Ин­тен­сив­ность из­лу­чае­мо­го све­та в че­рен­ков­ском счёт­чи­ке обычно в де­сят­ки раз мень­ше, чем в сцин­тил­ля­ци­он­ном Д., но дос­та­точ­на для на­дёж­ной ре­ги­ст­ра­ции час­тиц.

В совр. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ни­ях ис­поль­зу­ют­ся, как пра­ви­ло, ус­та­нов­ки, со­дер­жа­щие боль­шое ко­ли­че­ст­во де­тек­то­ров разл. ти­пов.