Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 143
Текст из файла (страница 143)
Эти счетчики оказались удобными и при исследовании космических лучей. Сцинтилляционный счетчик состоит из вещества, способного люминесцировать под действием заряженных частиц (сцинтиллятора), и фотоумножителя (ФЭУ) — прибора в высшей степени чувствительного и быстродействующего (см. т. П1, 3 103). Заряженная частица, попадая в сцинтиллятор, возбуждает атомы или молекулы. Возвращаясь в основное состояние, они испускают фотоны.
Последние, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны, в результате чего на катоде возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Благодаря высокой чувствительности и быстроте действия сцинтилляционный метод детектирования получил широкое распространение. Высокая чувствительность достигается тем, что в ФЭУ устанавливается до 10 — 20 эмитторов (ди««одое) из специально обработанного материала. В среднем каждый электрон, попадая на динод, выбивает из него от 3 до 10 новых электронов.
С последнего динода усиленный поток электронов попадает на анод, создавая электрический импульс, регистрируемый радиотехническими методами. В результате достигается большой коэффициент усиления (1Ое — 10 ), малое время восстановления (около 10 е с) при высокой его стабильности, высокое временное разрешение (около 10 " с). Замечательной особенностью ФЭУ является хорошо соблюдаемая линейность усиления. Вторая, нс менее важная причина распространенности метода состоит в том, что в качестве сцинтнлляторов стали использовать вещества, прозрачные по отношению к собственному излучению сцинтиллятора. Благодаря 568 Источники и ееетодм регистрации ядерных частиц (Гл. ХП этому эффективным в детекторе становится весь объем сцинтиллятора, а не только его поверхностный слой.
Доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию, называется конвсрспопной оффектпивностью 0. Наибольшими значениями г1 обладают кристаллы На1, активированные Т1, кристаллы анграцена и Хп8. Для этих сцинтилляторов длина волны в максимуме лежит в видимой области спектра вблизи его фиолетового конца. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется во времени экспонснциально: 1 е ~~, где т среднее время высвечивания, определяемое временем жизни молекул или атомов на возбужденных уровнях. Для большинства сцинтилляторов т = 10 "-10 е с. Чем меныпе т, тем более быстродействующим будет счетчик. Наименьшими временами т обладают пластмассы, активированные терфинилом.
7. Использование прозрачных жидкостей в качестве сцинтиллирующих веществ открыло возможность применять сцинтилляторы громадных размеров. Изготовить сцинтиллятор таких размеров из кристалла затруднительно и даже невозможно, так как кристалл надо вырастить однородным. В качесгве примера укажем, что именно с помощью сцинтилляционных счетчиков с жидким сцинтиллятором Рейнесу и Коуэну в 1956 г. впервые удалось зарегистрировать взаимодействие антинейтрино с веществом (см. 8 74,п.15).
Для регистрации был использован сцинтиллятор, содержащий 5000 л воды с примесью люминесцирующего вещества и соли кадмия. Источником антинейтрино служил ядерный реактор, дающий плотность потока антинейтрино 10ш с см Сцннгиллягор был помещен глубоко под землей для максимального ослабления фона космического излучения и отделен мощной защитой от реактора.
Исследовалась реакция р, + р э п + ее, (86.1) в которой антинейтрино взаимодействовали с протонами воды сцинтиллятора. Позитрон аннигилировал с электроном вещества с испусканием двух 7-квантов, давая первую вспышку. Нейтрон за несколько микросекунд замедлялся до надтепловых скоростей, после чего захватывался кадмием. Ядро кадмия при захвате нейтрона превращалось в новое ядро с энергией возбуждения 9,1 МэВ. При переходе в нормальное состояние оно испускало каскад у-квантов, дававших вторую вспышку.
Обе вспышки регистрировались схемой запаздывающих совпадений, что позволяло уверенно отделить нужные события от фоновых излучений. В среднем регистрировались три события в час, причем на проведение опыта было затрачено около пол~года. Для сечения реакции (86.1) получилось и - (11 + 4) 10 44 см . 8.
Черенковские счетчики используют явление получен л Вавилова — Черенкова (см. з 6, а также т. 1Ъ', з 38). Такое излучение возникает, когда заряженная частица движется в среде со скоростью о, превышающей фазовую скорость света в этой среде с~п (и показатель преломления). В черенковском счетчике эта среда называется радиатороль Радиатор должен быть прозрачен для черенковского излучения з 86) Детекторы частиц и иметь низкий уровень сцинтилляций, создающих фоновые сигналы. В качестве радиаторов для регисграции частиц со сравнительно неболыпими скоростями применяют органическое стекло (и = 1,5), свинцовое стекло (и = 1,5) и воду (и = 1,33). Оптическая система счетчика фокусируег свет от частицы на катоде ФЭУ, превращающего световой сигнал в электрический. Общее количество света, попадающее на фотокатод черенковского счетчика, как правило, в несколько рвз меньше, чем в сцинтилляционном счетчике.
Но оно все же достаточно для регистрации после преобразования в ФЭУ в электрический сигнал и последующего усиления последнего. Именно фотоумножитель сделал возможным в черенковском счетчике уверенно регистрировать отдельные частицы. Так как излучение света в черенковских счетчиках происходит мгновенно, то их разрешающее время достигает 10 г с.
Излучение Вавилова — Черенкова характеризуется резкой направленностью. Все оно концентрируется в тонком слое вблизи поверхности конуса, образующие которого составляют угол с 1 0 = агссоз = агссоз пс р'и (86.2) с направлением движения частицы.
Эта особенность излучения и используется в черенковских счетчиках. Если скорость частицы и близка к скорости света, то используются газовые радиаторы. В этом случае из-за малого огличия п ог единицы угол О, а с ним и интенсивность излучения очень малы. Для получения интенсивности вспышки, достаточной для регистрации, приходится увеличивать длину черенковского счетчика до 10 м и больше. Зато еазовый черенковский счетчик позволяет плавно менять п путем изменения давления газа. Черенковские счетчики делятся на пороговые, дие04еренциальиые и полного поглощения. Пороговые счетчики должны регистрировать все частицы со скоростями болыпе некоторой (пороговой) скорости. Дифференциальные счетчики регистрируют частицы, скорости которых заключены в определенном интервале: и1 < и < иг. Это достигается оггической системой, выделяющей лучи, распространяющиеся под определенными углами между 0~ и 0г к направлению движения частицы. Линза или сферическое зеркало с фокусным расстоянием 1, поставленные на пути этих лучей, фокусируют их на кольцевую щелевую диафрагму с радиусами 1с1 = ~0~ и йг = 10г (углы 01 и 0г малы), а затем на фотоумножитель.
В результате свет будет зарегистрирован только от частиц, излучающих в направлении выделенного интервала углов и имеющих скорости в соответствующем ему интервале скоростей. Таким путем удается выделить частицы, которые по величине )3 отличаются всего на 10 ь от других частиц. Черенковский счетчик полного поглощения предназначен для регистрации и спсктрометрии электронов и г-квантов. Он содержит блок радиаторов большой толщины, в котором электрон или ч-квант образует электрон-фотонную лавину и теряет всю (или почти всю) свою энергию. Как правило, радиатор изготовляют из стекла с большим содержанием свинца.
При толщине радиатора 40 см в нем практически 570 Источники и методы регистрации ядерных частиц (Гл. Х!! полностью тормозятся электроны с энергией до 10 ГэВ. Количество света, излученного в черенковских счетчиках такого типа, пропорционально энергии первичного электрона или о-кванта. Для регистрации заряженных частиц с энергией порядка 10в— 10в ГэВ используются детекторы, в когорых вспышки света возникают при прохождении регистрируемой частицы чероз границу двух сред с резко различными свойствами (переходное злучение).
Интенсивносгь света, излучаемого при этом, пропорциональна энергии частицы, но значительно меныпе, чем в случае черснковского излучения. Поэтому детекторы на переходном излучении делают многослойными, содержащими сотни слоев газ — твердое тело. 9. К концу 50-х годов после преодоления различных технических трудностей появились полупроводниковые счетчики.
Они используют переходное излучение в рентгенов— р ской области и имеют большое бу- дущее в физике ТэВ-области для гг идентификации частиц. Схема та- кого счетчика показана на рис. 156. К усилителю Принцип работы полупроводникового счетчика тот же, что и ионизационной камеры, только вместо газа применяется полупроводник. Это имеет то преимущество, что в твердом теле на одном и том же отрезке пути заряженная частица отдает в сотни раз боль- : 5;-:::::::: ше энергии, чем в газе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
