Детекторы заряженных частиц.

1.Ионизационные камеры

Способность заряженных частиц вызывать ионизацию породила серию приборов для измерения радиации и ионизирующих частиц. Первым простейшим прибором можно считать известный всем со школьной скамьи электроскоп. Два легких металлических листочка, прикрепленых к металлическому стержню, расходятся, когда стержкнь заряжается. Уменьшение расхрждения указывает на факт и на скорость разряда, вызываемого ионизацией воздуха.

Камера Вильсона позволила наблюдать треки заряженных частиц (Ч. Вильсон , 1912г.). Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации Пересыщенный пар заполняющий камеру, осаждается на ионах, образующихся вдоль следа быстрой заряженной частицы.
По толщине следа и отклонению траектории в магнитном поле можно определить тип, энергию и заряд частицы.
Камера Вильсона долгое время служила одним из основных приборов ядерной физики и физики космических лучей. С помощью камеры Вильсона, поднимаемой на воздушном шаре, австрийский физик В.Ф. Гесс открыл в 1912 г. космические лучи.
В наше время на смену камеры Вильсона ппришли пузырьковые и искровые камеры.
Пузырьковая камера, также регистрирует (фотографирует) треки частиц, образованные вскипающими пузырьками пергретой жидкости.
Искровая камера представляет собой две или несколько плоскопараллельных пластин - электродов на которые по сигналу управляющего детектора, на короткое время (10-100 нсек) подается высоковольтный импульс напяжения (5-20 кв/см). Площадь пластин может достигать нескольких м2. Электроны, возникшие вдоль траектории частицы в процессе ионизации атомов газа, ускоряются полем, ионизуют и возбуждают атомы газа. В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, которые в зависимости от амплитуды и длительности импульса либо перерастают в видимый глазом искровой разряд, либо создают в газе локально светящиеся области небольшого объема.

Существует несколько разновидностей искровой камеры - узкозазорная, трековая, стриммерная и несколько способов регистрации треков. Преисущества искровых камер в том, что они могут обеспечить большую частоту регистраци и могут работать при интенсивных потоках частиц.

Ионизационная камера в широком смысле - это замкнутый объем, заполненный газов с двумя электродами, на которые подается значительная разность потенциалов. Одним из электродов может служить корпус камеры. Ионизации газа в камере, вызываемая частицами, создает несколько токовых режимов, в зависимости от разности потенциалов между электродами и конструкции камеры. Ионизационная камера (в узком значении) работает до начала режима газового усиления и регистрирует ионный ток в камере.

Ионизационная камера оазработанная Ю.Г. Шафером и Н.Л. Григоровым для непрерывной регистрации космических лучей. Регистрировался как медленно меняющийся ток, отражающий вариации космичкских лучей так и т.н. толчки - импульсные скачки ионизвции, создаваемые ливнями.
В сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролете ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В этом режиме работают пропорциональные счетчики, и счетчики Гейгера-Мюллера.

Пропорциональный счетчик - позволяет подсчитать число проходящих частиц и измерить величину создаваемой этой частицей ионизации.
Счетчик Гейгера, (счетчик Гейгера-Мюллера, газоразрядный счетчик) работает в режиме пробоя и позволяет подсчитать число частиц проникающих через вещество корпуса или специальное окно меньшей плотности. Счетчик был изобретен в 1908 году Гейгером и усовершенствован Мюллером.

Отечественные цилиндрический счетчики Гейгера - Мюллера типа СТС-5, СТС-6 состоят из металлической трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка - катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 500 В. Измеряются протоны с энергией больше и электроны МэВ. Счетчик СИ-8Б со слюдяным окном в корпусе, предназначен для измерения мягкого γ-излучения.
Широкое применение счетчики Гейгера - Мюллера нашли в космических исследованиях. Регулярные измерения косических лучей с помощью аппаратуры, поднимаемой на шарах-зондах проводились Долгопрудненской станцией ФИАН с 1958 г. группой А.Н. и Т.Н. Чарахчьян и лругими институтами. Информацию о мягкой компоненте космических лучей давал подсчет темпа счета одиночного счетчика Гейгера, о жесткой посчет числа совпадений импульсов с вертикального телескопа из двух счетчиком с фильтром между ними.
Счетчик Гейгера с аппаратурой, разработанной Ю.И. Логачевым стоял на втором спутнике - он был первом спутниковом научным прибором.
Наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером Z , так как при этом увеличивается образование вторичных электронов. Кроме того, стенки счетчика должны быть достаточно толстыми. Толщина стенки счетчика выбирается из условия ее равенства длине свободного пробега вторичных электронов в материале стенки. При большой толщине стенки вторичные электроны не пройдут в рабочий объем счетчика и возникновение импульса тока не произойдет .
Так как гамма-излучение слабо взаимодействует с веществом, то обычно эффективность гамма - счетчиков также мала и составляет всего 1-2 %.

2.Сцинтилляторы

Вторая группа детекторов использует для регистрации ионизирующих частиц эффект свечения, возникающий ими в некоторых веществах, люминофорах или сцинтилляторами.
( Вообще то свечение возникает вероятно во всех атомах Примером могут служить полярные сияния, где атомы атмосферы, преимущественно кислород и азот высвечиваются при вторжении большого потока авроральных электронов. Существуют вещества, именуемые сцинтилляторами, у которых этот процесс наиболее эффективен и зримый отклик вызывает даже пролет одной частицы, что и используется в целом ряде регистраторов энергичных частиц. Простейшим прибором был сцинтарископ - стеклянная колба, закрашенная или закрытая снаружи другим способом от света, дно которой покрывалось люминофором. Наблюдатель мог уловить глазом слабые вспышки света, вызываемые космическими лучами.
С появлением фотоэлектронных умножителей началось широкое использование сцинтилляционных счетчиков частиц и фотонов. Разнообразие их в космических исследованиях весьма велико и мы здесь дадим краткие описания только несолькольких приборов.

Сцинтилляционный спектрометр

На рисунке приведена блок-схема сцинтилляционного спектрометра аврорального рентгеновского излучения, применявшегося в аэростатных экспериментах. Сцинтиллятор - кристалл NaJ активированный таллием просматривается ФЭУ, сигнал с которого поступает на амплитудный анализатор и в зависимости от амплитуды импульса, пропорциональной энергии рентгеновского кванта, поступает на одну из счетных линеек, содержание которых считывается телеметрией полетного комплекса.
Яркость вспышки пропорциональна энергии фотона, что позволяет определить его энергию, если он целиком поглотится в кристалле сцинтиллятора.
Разумеется сцинтиллятор регистрирует и заряженные частицы, но мягкую компоненту космических лучей поглощает алюминевый экран детектора, а фон, создаваемый жесткой коспонентой, меньше по интенсивности аврорального рентгена и легко вычитается, поскольку его вариации невелики.
Для защиты от энергичных частиц космических лучей кроме пассивной защиты экраном применяют и активную - пластиковый сцинтиллятор, вкдюченный на антисовпадение с основным детектром. Совпадение означает, что частица прошла через оба детектора и ее не надо учитывать при счете потока частиц.
Помимо кристаллических сцинтилляторов часто используются пластиковые сцинтилляторы, которые имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц - десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший в 5-10 раз световыход.

Полупроводниковый детектор состоит из слоя полупроводника с нанесенными на него с обеих сторон металличскими электродами, на которые подается напряжение. (рис УУ). При попадании частицы или гамма-кванта в полупроводник в нем в результате ионизации образуются носители заряда - электроны и дырки, которые под воздействием электрического поля перемещаются к электродам. В результате возникает импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энерговыделению частицы в полупроводнике.
Толщина полупроводниковых детекторов невелика, поэтому качестве спектрометра они используются для регистрации электронов с энергией < 1 МэВ, обеспечивая высокое энергетическое разрешение. Частицы больших энергий пролетая чарез полупроводниковый детектор отдают только часть энергии, но поскольку амплитуда сигнала детектора пропорциональна массе частицы при равной энергии , dE/dx ~ mZ²/E, его используют вместе с спектрометром для разделения тяжелых частиц от легких, напримерп протонов от электронов.

Создаются также более сложные конструкции, например, устройства для измерения пространственного распределения потоков частиц. Вообще каждый новый спутник или серия спутников оснащаются новыми, более соверженными приборами, что создает нетривиальную проблему сопоставления измеренных потоков.
На рис слева приведена блок-схема спектрометра ионов и электронов установленного на японском спутнике SERVIS-1.

Каналтроны (электростатические анализаторы) используются в нескольких разновидностях для регистрации частиц низких энергий. На сферические электроды подается напряжение, нарастающее ступенями, каждому уровню напряжения соответствует узкий дипазон энергий и заряда частиц, траектория которых вписывается в сферический канал и позволяет им попасть на сцинтилляционный или полупроводниковый детектор.

Радиус R и напряженность наложенного электрического поля E определяют энергию частиц, которые могут пройти через анализатор:
mv²=eER

Приведем пример одного из современных детекторов, регистрируюцего нейтральные ядра. На входе отклоняются заряженные чвстицы, затем нейтральные приобретают заряд, проходят через электростатический анализатор и затем через ToF (time of flight) - времяпробежный детектор. Представляем читателям самим разобраться в работе этого устройства.


ЛЛ :