Лекция 20. Взаимодействие электронов и позитронов с веществом 3 страница

Отметим, что свойства ППД способны заметно ухудшаться вследствие радиационных повреждений кристаллической структуры уже при небольших интегральных потоках проходящих частиц.

22.4. Сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляцией (от лат. scintillatio – мерцание) называется вспышка света, возникающая в среде, способной люминесцировать – люминофоре, или сцинтилляторе. Люминофорами могут служить неорганические кристаллы (сульфиды, галогениды), ароматические углеводороды (нафталин, антрацен и т.д.) в кристаллическом состоянии или в растворе, инертные газы. Сцинтилляции, сопровождающие ядерное излучение, вызываются возбуждением и ионизацией, которые производятся в веществе излучением (ПРИЛОЖЕНИЕ О). Таким образом, сцинтилляционный метод регистрации излучения сводится к наблюдению и счету световых вспышек.

Оптические свойства свечения (спектр излучения, продолжительность высвечивания) определяются свойствами люминесцирующей среды, а его интенсивность – удельными ионизационными потерями.

Отношение энергии образовавшихся фотонов к поглощенной в сцинтилляторе энергии излучения называется физическим световым выходом. Эта величина меньше единицы (обычно несколько процентов), так как значительная часть энергии тратится на переходы без испускания света. Отношение световой энергии, выходящей из сцинтиллятора, к поглощенной энергии называется техническим световым выходом. Технический световой выход зависит от прозрачности сцинтиллятора к собственному излучению, его геометрических характеристик и химической чистоты. У качественных сцинтилляторов технический световой выход близок к физическому.

Световой выход для различных видов ионизирующих излучений в одном и том же сцинтилляторе различен: он зависит от массы, заряда и энергии частицы. Поэтому вводят характеристику, называемую отношением a/b, показывающую, какую долю составляет световой выход под действием α-частиц от светового выхода под действием электронов той же энергии.

Процесс выхода световой энергии из сцинтиллятора называется высвечиванием. Интенсивность высвечивания убывает со временем по экспоненциальному закону I ~ e ^{– t / t}, где величина t называется временем высвечивания. Для регистрации ядерных излучений пригодны сцинтилляторы с малым временем высвечивания (10^–7-10^–9 с), так как в противном случае возрастает разрешающее время сцинтилляционного детектора.

Еще одной важной характеристикой сцинтиллятора является спектр люминесценции, т.е. распределение испускаемых фотонов по энергиям. Этот спектр должен соответствовать спектральной чувствительности вторичного регистрирующего прибора – фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Необходимость использования ФЭУ вызывается малой интенсивностью сцинтилляций. Так в кристалле NaI с хорошим световым выходом на 100 эВ поглощенной энергии испускается всего 2-3 фотона. Фотоны, образующиеся внутри сцинтиллятора, попадают на фотокатод ФЭУ (рис. 22.2). На поверхности фотокатода приблизительно каждый десятый фотон выбивает фотоэлектрон. Таким образом, при поглощении сцинтиллятором частицы с энергией 1 МэВ образуется, в лучшем случае, 2-3 тысячи фотоэлектронов. Этот весьма малый начальный ток усиливается в ФЭУ следующим образом. Вырванные из фотокатода электроны ускоряются электрическим полем между фотокатодом и диафрагмой, а затем и первым электродом-умножителем – динодом. Вырванный из него электронный поток, существенно увеличенный за счет вторичной электронной эмиссии, попадает на второй динод и т.д. В результате многократного повторения такого каскадного процесса приходящий на анод импульсный электронный поток усиливается. Так как усиление ФЭУ K = σⁿ, где s – усиление одного каскада, a n – число каскадов, то при s = 3-5 и n =10 величина тока возрастает примерно в 10⁶ раз. Такой импульс после соответствующего радиотехнического усиления может быть достаточно просто зарегистрирован и измерен.

В правильно сконструированном ФЭУ все электроны, вырванные из фотокатода, проходят практически одинаковый путь. Вследствие этого форма импульса фототока не искажается при его усилении. Так как между фотокатодом, динодамии анодомприкладывается разность потенциалов в общей сложности порядка 1-2 кВ, весь процесс электронного умножения происходит достаточно быстро: за ~10^–8 с. Поэтому разрешающее время сцинтилляционного детектора – величина того же порядка.

Выбор того или иного типа сцинтиллятора обусловливается конкретной задачей исследования. Подобрать такой сцинтиллятор, который был бы универсальным детектором для регистрации любых частиц, невозможно. В зависимости от характера задачи приходится жертвовать одними требованиями для оптимального удовлетворения других. В связи с этим набор сцинтилляторов, применяемых в ядерной физике, разнообразен.

В тех случаях, когда сцинтилляционный счетчик предполагается использовать для регистрации очень редких частиц или для измерения энергии частиц с большим пробегом, необходимо увеличить объем сцинтиллятора. Тогда на первое место выдвигается требование идеальной оптической прозрачности. Такому условию удовлетворяют жидкие и пластические сцинтилляторы, прозрачные даже при размерах в десятки сантиметров. Первые представляют собой растворы твердых органических люминофоров, например, в бензоле, вторые – твердые растворы люминофоров в прозрачных пластмассах.

Если необходимо измерить энергию частиц, используют неорганические и органические кристаллы, для которых в широком интервале энергий световая вспышка пропорциональна энергии, потерянной частицей в кристалле.

Лучшим сцинтиллятором для регистрации α-частиц является ZnS, активированный серебром. Этот материал имеет очень высокие значения светового выхода и a/b отношения. Однако величина его прозрачности для собственного излучения весьма мала, поэтому сцинтилляторы из ZnS делают небольшой толщины, сравнимой с пробегом α-частиц. Сцинтилляторы из ZnS иногда наносятся непосредственно на колбу фотоумножителя, однако чаще используется конструкция, в которой сульфидом покрывается прозрачный материал, находящийся в оптическом контакте с ФЭУ.

Несмотря на то, что все сцинтилляторы чувствительны к электронам, наиболее широко для их регистрации применяются органические сцинтилляторы. Это объясняется малым временем высвечивания органических материалов, а также тем, что их можно приготовить в виде твердых и жидких растворов или в виде кристаллов. Особенно удобны органические сцинтилляторы для регистрации мягкого β-излучения. В этом случае β-излучатель можно смешать с жидким раствором люминофора. Концентрация сцинтиллятора в растворе, как правило, очень мала, и β-частицы возбуждают в основном только молекулы растворителя. Однако возбуждение мигрирует с одной молекулы растворителя на другую до тех пор, пока не локализуется на молекуле люминофора, после чего происходит высвечивание фотона. При такой технике измерения исключается поглощение излучения как в окошке счетчика, так и в источнике.

Эффективность регистрации фотонного излучения сцинтилляционным детектором можно оценить путем определения доли фотонов, поглощенных в сцинтилляторе. Если предположить, что все процессы взаимодействия фотоннов с веществом приводят к появлению сигнала, то для параллельного пучка фотонов, падающих нормально на пластинку толщиной х, эффективность регистрации

, (22.1)

где μ – коэффициент ослабления (п. 21.5).

Для регистрации фотонного излучения обычно используются неорганические кристаллы, в частности NaI, активированный таллием: благодаря своей высокой плотности и высокому атомному номеру он оказывается особенно подходящим для этой цели. Эффективность регистрации мягких рентгеновских фотонов с помощью NaI приближается к 100%. Однако для достижения высокой эффективности регистрации жестких γ-квантов требуется существенно увеличивать размеры детектора, что возможно лишь при переходе к жидким и пластическим сцинтилляторам.

22.5. Черенковские счетчики. В основе работы черенковских счетчиков лежит явление, описанное в п. 20.7. Среда черенковского счетчика (радиатор) должна быть прозрачна для черенковского излучения и иметь низкий уровень сцинтилляций, создающих фон. В качестве радиаторов часто применяют воду (n = 1,33), органическое стекло (n = 1,5), фреон и т.п. Черенковское излучение, генерируемое заряженной частицей в радиаторе, попадает на фотокатод ФЭУ. Интенсивность световой вспышки в черенковском счетчике меньше, чем в сцинтилляционном, но все-таки достаточна для регистрации.

Черенковские счетчики могут быть с оптической фокусировкой и без нее. Счетчики без фокусировки используются для счета всех частиц, прошедших через радиатор со скоростью больше заданного значения v (пороговой). В этом случае радиатор окружается стенками, обладающими высокой отражающей способностью; объем радиатора просматривается одним или несколькими ФЭУ.

Характерная особенность черенковского излучения – однозначная связь между направлением волнового фронта излучения и скоростью частицы, выражаемая формулой (20.13), – позволяет создавать оптические системы, эффективно собирающие свет только от частиц, скорости которых заключены в интервале v ₁ < v < v ₂. Это достигается системой оптической фокусировки, выделяющей лучи, распространяющиеся под определенными углами между θ ₁ и θ ₂ к направлению движения пучка частиц.

В некоторых случаях черенковский счетчик и без фокусировки можно использовать для определения энергии электрона или фотона с энергией, достаточной для образования электрон-фотонного ливня (п. 21.4). Для этого радиатор изготавливают из стекла с большим содержанием свинца. При толщине радиатора ~0,5 м в нем практически полностью тормозятся электроны с энергией до 10 ГэВ. Количество света, образовавшегося в таком счетчике, пропорционально энергии первичного электрона (γ-кванта).

Так как испускание черенковского излучения происходит практически мгновенно, разрешающее время черенковских счетчиков достигает 10^–9 с.

22.6. Трековые детекторы (обзор). Наиболее простыми и дешевыми трековыми детекторами заряженных частиц являются толстослойные ядерные фотоэмульсии, отличающиеся от обычных фотоэмульсий большей чувствительностью и большей толщиной. Пластинки, покрытые слоем такой фотоэмульсии, ставятся на пути ионизирующих частиц, после чего проявляются. В результате частица оставляет след, образованный зернами восстановленного металлического серебра (размер зерна – около 0,3 мкм). Главный недостаток метода – очень большая трудоемкость, так как каждую пластинку приходится рассматривать под сильным микроскопом (с увеличением в 500-1000 раз).

Старейшим трековым детектором является камера Вильсона, изобретенная Ч. Вильсоном еще в 1912 г. Принцип ее действия основан на конденсации пересыщенных паров жидкости на ионах, образующихся вдоль траектории заряженной частицы. Дно камеры – диафрагма, при движении которой образуется пересыщенное состояние пара. Верхнюю крышку камеры и боковые стенки обычно делают стеклянными. В нужный момент времени камера освещается через боковые стенки импульсным источником света и фотографируется через верхнюю крышку несколькими фотоаппаратами для получения стереоскопических изображений треков. Рабочий цикл камеры (от нескольких секунд до нескольких минут) включает в себя расширение, включение освещения, фотографирование треков и сжатие.

Плотность капель вдоль треков заряженных частиц пропорциональна плотности ионизации. Часто камеры Вильсона помещают в магнитное поле: измеряя кривизну трека в сильном магнитном поле, можно определить импульс частицы и знак ее заряда. Камера Вильсона сыграла выдающуюся роль в ядерной физике, оставаясь долгое время единственным трековым детектором. Она утратила свое значение только в середине XX в., уступив место пузырьковым и искровым камерам.

В отличие от перенасыщенного пара в камере Вильсона, пузырьковая камера содержит перегретую жидкость (обычно используются сжиженные газы: водород, дейтерий, пропан и т.д.). При прохождении через камеру заряженная частица образует вдоль трека центры кипения. Образование пузырьков пара происходит в результате локального выделения тепла, в которое преобразуется кинетическая энергия δ-электронов (п. 19.1). За время порядка 1 мс пузырьки достигают размера около 100 мкм и при освещении импульсным источником света могут быть сфотографированы.

Эффективность регистрации определяется размерами пузырьковой камеры. Обычно такие камеры имеют размеры до нескольких метров и представляют собой сложные инженерные сооружения. Главный недостаток пузырьковой камеры – невозможность в процессе работы отбирать нужные события; при исследовании редких событий это приводит к необходимости просматривать большое количество фотографий.

Сочетание полноты получаемой информации с ее немедленной обработкой реализуется в искровой камере. Искровая камера состоит из набора плоскопараллельных электродов, пространство между которыми заполнено инертным газом. После прохождения через искровую камеру ионизирующей частицы на электроды подается короткий импульс напряжения в десятки или сотни кВ. Свободные электроны, образовавшиеся при ионизации вблизи траектории частицы, ускоряются электрическим полем и вызывают в малом объеме вблизи трека свечение газа (искровой разряд). Светящийся след прошедшей частицы фотографируется. Кроме фотографирования применяются методы регистрации с использованием ЭВМ: координаты искр сразу же записываются в память и подвергаются математической обработке.

Искровая камера была создана на основе более старого детектора – искрового счетчика. Последний до сих пор сохранил свое значение как прибор с очень малым временем запаздывания сигнала по отношению к времени возникновения ионизации в его чувствительном объеме. Общим для обоих детекторов является механизм возникновения и развития пробоя в межэлектродном промежутке.

Усовершенствованный вариант искровой камеры – стримерная камера. В ней разряд, вызванный импульсом высокого напряжения, обрывается на ранней стадии. В результате треки заряженных частиц, прошедших через камеру, выглядят как цепочки отдельных, не сливающихся друг с другом светящихся областей небольшого объема – стримеров. Поскольку размеры стримеров небольшие (несколько мм), они способны воссоздавать треки, идущие в любом направлении, а не только от одной пластины к другой.

Искровые и стримерные камеры могут работать и в магнитном поле. Они обладают высокой эффективностью к одновременной регистрации многих частиц (ливней частиц), а также малой пространственной и угловой погрешностью определения траектории.

Дата добавления: 2015-05-26