ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность, заметив, что соли урана засвечивают фотопластинку. Он обнаружил, что излучение этих солей вызывает свечение люминофоров и разряжает электроскоп (см. Люминесценция).

В дальнейшем способы регистрации ядерных излучений были значительно усовершенствованы и стали основой приборов, измеряющих ядерные излучения. Так, гораздо надежнее электроскопа ионизационная камера (рис. 1). Электроны или альфа-ча-стицы в рабочем объеме камеры, заполненном газом, оставляют след из ионов и электронов — в цепи возникает ток. По его величине можно судить о потоке частиц, проходящих через объем камеры. Так работает дозиметр — прибор для определения дозы радиоактивного облучения на рабочем месте. В импульсной ионизационной камере можно измерить заряд ионов, образующийся при прохождении одной частицы, а по заряду определить и ее энергию.

Газоразрядные счетчики Гейгера— Мюллера (названные по имени немецких физиков X. Гейгера и В. Мюллера) напоминают ионизационную камеру (рис. 2). Но принцип их работы совсем иной. У нити-анода силовые линии электрического поля сгущаются. Электрическое поле сильно ускоряет пришедшие сюда электроны, и они сами начинают ионизировать газ, которым наполнена камера, например аргон. Возникает лавина электронов, и в конечном итоге на каждый первичный электрон рождаются тысячи. Величина импульса счетчика Гейгера — Мюллера получается большой по сравнению с импульсом в ионизационной камере, но зато он не определяет энергию частицы. Такой счетчик регистрирует только сам факт прихода импульса.

Полупроводниковые детекторы иногда называют твердотельными ионизационными камерами (рис. 3) (см. Полупроводники). Энергия, идущая на образование пары ионов в полупроводниковом материале — кремнии или германии, примерно на порядок меньше, чем в газе: 3 и 30 эВ — характерные значения. Поэтому по точности измерений полупроводниковые детекторы превосходят счетчики других типов.

Свечение люминофоров, замеченное А. Беккерелем, использовалось английским ученым Э. Резерфордом для визуальной регистрации а-частиц с помощью экрана из сернистого цинка. В современном люминесцентном

счетчике роль экрана играет либо кристалл NaI, либо жидкость — люминофор, а роль наблюдателя — фотоумножитель и электронная аппаратура. Частица возбуждает атомы кристалла, они испускают фотоны, и фотоумножитель регистрирует свет. Когда необходим детектор большого объема, люминесцентный — сцинтилляционный счетчик незаменим. Для регистрации нейтрино американские ученые Ф. Райнес и К. Коуэн создали целое сооружение: их «счетчик» содержал 5000 л жидкого сцинтиллятора (люминофора)!

Со времени Беккереля для регистрации ядерных частиц применяются фотопластинки, в которых после проявления можно наблюдать траектории частиц по их следам — трекам. Камера Вильсона — трековый детектор. В ней ионы, образовавшиеся вдоль пути заряженной частицы, служат центрами конденсации капелек паров жидкости. Трек из этих капелек фотографируется на фотопленку (рис. 4). Для регистрации частиц высокой энергии применяют пузырьковые камеры. В них частица образует след из пузырьков. В такой камере укладываются траектории очень быстрых частиц: пробег в жидкости энергичной частицы меньше, чем в газе. Кроме того, пузырьковая камера может быть сделана очень большого объема. Полные сведения о траектории частицы получают с помощью искровой камеры (рис. 5).

На эффекте Вавилова — Черепкова основан принцип действия черенковского счетчика. В таком счетчике скорость частицы определяют по характеру свечения прозрачного тела, сквозь которое она проходит. С помощью счетчиков Черенкова был открыт антипротон.

Нейтральные частицы — γ-кванты (см. Гамма-излучение) , нейтроны, мезоны, нейтрино регистрируют по рождаемым ими в веществе заряженным частицам. Так, чтобы измерить поток медленных нейтронов, ионизационную камеру или газовый счетчик заполняют гелием 3Не. После захвата нейтрона образуются протон и тритон: 3Не + 1n → р + 13Н; по производимой этими частицами (в основном протоном) ионизации и регистрируют появление в счетчике теплового нейтрона. Если стенки ионизационной камеры покрыть ураном, то осколки деления урана нейтронами будут ионизировать газ и тем самым свидетельствовать о прохождении через объем камеры нейтронного потока.

Современный эксперимент характеризуется сложной логикой регистрации частиц. Детекторы подключаются к усилителям импульсов, схемам совпадений, схемам временной задержки. Электрические импульсы, порожденные заряженными частицами, после предварительного усиления и формирования попадают на амплитудные анализаторы — приборы, сортирующие импульсы в зависимости от энергии частиц. Результаты измерений непосредственно во время эксперимента поступают на ЭВМ для непрерывной обработки. В наши дни только с применением сложных технических средств удается проникать в тайны ядерного микромира (см. Элементарные частицы).