Detektory promieniowania jonizującego- czyli sposób ich rejestrowania

DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO- czyli sposób ich rejestrowania

Detektory cząstek to urządzenia do rejestracji cząstek elementarnych i jonów, pomiaru ich pozycji przejścia, prędkości, energii oraz do ich identyfikacji. Są stosowane w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej, astrofizyce oraz w diagnostyce medycznej, biologii, energetyce jądrowej, badaniach materiałowych i innych. Proste stanowią zasadniczą część dawkomierzy. Do detekcji wykorzystuje się gł. zdolność cząstek do jonizacji atomów ośr., przez który przechodzą, a także zdolność do wywoływania emisji promieniowania elektromagnetycznego, reakcji chemicznych i jądrowych, wytwarzania nośników prądu elektrycznego. Ośrodkiem czynnym detektorów promieniowania jonizującego bywają zazwyczaj specjalnie dobrane gazy, ciecze bądź ciała stałe.
Istnieje wiele typów detektorów promieniowania jonizującego o różnym przeznaczeniu, dostosowanych do detekcji różnych cząstek w różnych zakresach energii.
• Liczniki cząstek rejestrują jedynie fakt przejścia cząstek przez ośrodek czynny detektora
• Detektory śladowe pozwalają na rekonstrukcję torów cząstek na podstawie śladów, np. jonów lub związków chemicznych, pozostawionych w ośr. detektora (umieszczone w polu magnet. umożliwiają — poprzez pomiar krzywizny toru — wyznaczenie znaku ładunku oraz pędu cząstki).
→ Ze względu na szybkość uzyskiwanych informacji rozróżnia się:
• detektory pasywne - zbierające informacje o przejściu wielu cząstek (wymagają dodatkowej obróbki) oraz
• detektory aktywne, w których informacja o przejściu cząstki pojawia się w postaci impulsu elektr. natychmiast.
→ Do detektorów pasywnych należą emulsje jądrowe (fotograficzna emulsja) i klisze rentgenowskie (zmiany wywołane działaniem w nich promieniowania jonizującego uwidaczniają się w postaci wytrąconych kryształów srebra)
• detektory luminescencyjne (promieniowanie pochłonięte w substancji czynnej powoduje przeniesienie elektronów w cząsteczkach do stanu metatrwałego. Pod wpływem pewnych czynników, np. ogrzania, elektrony powracają do stanu podstawowego emitując światło o natężeniu proporcjonalnym do pochłoniętej dawki promieniowania)
• detektory dielektryczne (cząstka naładowana powoduje obserwowalne zmiany mech. — uszkodzenia — na powierzchni dielektryka)
• detektory aktywacyjne (pod wpływem promieniowania pewna liczba jąder atom. substancji czynnej ulega aktywacji — zmienia się w izotopy promieniotwórcze)
• detektory chemiczne (zmiany w składzie chemicznym substancji pod wpływem promieniowania).
Detektory pasywne są stosowane do pomiaru silnego promieniowania i w trudno dostępnych miejscach (wnętrze reaktorów jądrowych, przestrzeń kosmiczna).
→ Do detektorów aktywnych zalicza się:
1) detektory gazowe, zbudowane ze zbiornika ze specjalnym gazem i elektrod, do których jest podłączone wysokie — różne w różnych detektorach — napięcie. Wytworzone pole elektr. powoduje dryf elektronów, a w konsekwencji powstanie impulsu elektr. Należą do nich:
• licznik Geigera–Mllera (komora jonizacyjna), w której między elektrodami (zazwyczaj 2 równoległe płaszczyzny przewodnika) panuje taka różnica potencjałów, że wszystkie jony i elektrony powstałe podczas pierwotnej jonizacji wywołanej przejściem cząstki są wychwytywane, a pole elektr. jest na tyle niskie, że nie występuje jonizacja wtórna (bywa wypełniona cieczą)
• komora proporcjonalna ( licznik proporcjonalny) — pole elektr. w pobliżu anody (drut o średnicy ok. 40 µm; katodę stanowi płaszczyzna drutów lub ścianki zbiornika) jest na tyle duże, że w obszarze tym występuje jonizacja lawinowa, co powoduje efekt wzmocnienia gazowego (powstały impuls elektr. jest proporcjonalny do jonizacji pierwotnej)
• komora wielodrutowa, zazwyczaj komora proporcjonalna — anodę stanowi płaszczyzna drutów, z których każdy działa w zasadzie niezależnie od pozostałych, co pozwala na określenie pozycji przelotu cząstki (zastosowanie odpowiedniej liczby warstw drutów i specjalnych układów elektron. umożliwia równocześnie trójwymiarowe określenie pozycji przejścia wielu cząstek)
• komora iskrowa — zawierająca 2 grupy elektrod, do których w odpowiednim czasie po przejściu cząstki przykłada się krótkotrwały (ok. 10–7 s) impuls wysokiego napięcia (ok. 10 kV). Powoduje on powstanie wyładowań elektr. między elektrodami wzdłuż pasma jonów. A także
• komora dryfowa i będąca rodzajem wielodrutowej komory dryfowej komora z projekcją czasową.
2) Detektory półprzewodnikowe — podstawowym elementem jest złącze p–n spolaryzowane w kierunku zaporowym. Swobodne nośniki prądu elektr. generowane w obszarze czynnym detektora (kryształ półprzewodnika) są zbierane na elektrodach. Powstający krótkotrwały (rzędu kilkudziesięciu ns) impuls prądu jest następnie wzmacniany i rejestrowany.
3) Licznik scyntylacyjny — ośr. czynnym jest scyntylator połączony bezpośrednio lub poprzez światłowód z fotopowielaczem (detektor o najkrótszym czasie detekcji — ok. 5 ns i czasie martwym ok. 10 ns). 4) Licznik Czerenkowa — działanie oparte na wykorzystaniu powstałego w ośr. czynnym promieniowania Czerenkowa. Fotony tego promieniowania są ogniskowane, a następnie rejestrowane za pomocą czułych na pojedyncze fotoelektrony detektorów gazowych.
5) Detektory promieniowania przejścia — wykorzystanie zjawiska promieniowania wywołanego przejściem cząstki przez granicę ośr. o różnych stałych dielektr. (Identyfikacja cząstek o energiach większych od 10 GeV).
6) Detektory kalorymetryczne (kalorymetry), zbudź. Zazwyczaj z kilku warstw materiału, w którym rozwija się kaskada cząstek poprzedzielanych warstwami specjalnych detektorów (detektory gazowe, liczniki scyntylacyjne i inne).
7) Grupa pośrednia — detektory śladowe, w których informacja o torze cząstki w postaci śladu utworzonego z kropelek cieczy (komora Wilsona), pęcherzyków gazu (komora pęcherzykowa) lub iskier wyładowania elektor. (Iskrowego; komora strumieniowa) jest dostępna natychmiast, lecz ze względów pakt. Utworzony obraz toru rejestruje się na błonach fot. lub holograficznych i znacznie później analizuje.
Obecnie podstawową rolę w fizyce wysokich energii i fizyce jąder. Odgrywają detektory, które pozwalają na szybką (10–7–10–9 s) detekcję cząstek, charakteryzują się krótkim czasem martwym (10–5–10–8 s) i umożliwiają elektron. przetwarzanie pierwotnego sygnału; takie detektory są zazwyczaj łączone w zespoły (zw. detektorami hybrydowymi) złożone z wielu typów detektorów do detekcji różnorodnych cząstek w szerokim obszarze energetycznym (Np. ALEPH). Sygnały od współcz. układów detekcyjnych są z reguły analizowane za pomocą odpowiednio oprogramowanych komputerów