Детекторы ядерных излучений

Определение "Детекторы ядерных излучений" в Большой Советской Энциклопедии

Детекторы ядерных излучений, 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 Детекторы ядерных излучений, позволяющие запечатлевать траектории отдельных частиц - Вильсона камера и её разновидность диффузионная камера, пузырьковая камера, искровая камера, ядерные фотографические эмульсии. Действие всех Детекторы ядерных излучений основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объём Детекторы ядерных излучений В случае g-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), а также химическими и тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или импульсов напряжения) на выходе Детекторы ядерных излучений 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 Детекторы ядерных излучений, средняя частота следования электрических импульсов, степень почернения фотоэмульсии и т.д.

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

Простейшим Детекторы ядерных излучений 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, 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 a-, b-частиц и g-квантов.

Действие сцинтилляционного детектора основано на явлении флуоресценции, возникающей при взаимодействии ядерных частиц со сцинтилляторами - специальными жидкостями, пластмассами, кристаллами, а также благородными газами. Световая вспышка регистрируется фотоэлектронным умножителем, преобразующим её в электрический импульс. Сцинтилляционные Детекторы ядерных излучений обладают высокой эффективностью для g-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 Детекторы ядерных излучений 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 Детекторы ядерных излучений и сравнимое с разрешением, достигаемым в гораздо менее светосильных магнитных спектрометрах (см. Бета-спектрометр). Поэтому полупроводниковые Детекторы ядерных излучений 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. 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.