Zestaw aparatury do badania zderzeń protonów o energii 14 TeV budowanego w CERN (doświadczenia CMS )

Detektory promieniowania jonizującego - urządzenia do rejestracji promieniowania jonizującego przez przetworzenie pierwotnych skutków oddziaływań promieniowania z materią na sygnały obserwowalne; 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 głównie zdolność cząstek do jonizacji atomów ośrodkowych, przez który przechodzą, a także zdolność do wywoływania emisji promieniowania elektromagnetycznego , reakcji chemicznej i jądrowej , 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 ośrodku detektora (umieszczone w polu magnetycznym umożliwiają — poprzez pomiar krzywizny toru — wyznaczenie znaku ładunku oraz pędu cząstki).

Rodzaje detektorów

Ze względu na szybkość uzyskiwanych informacji rozróżnia się:

• detektory pasywne - zbierające informacje o przejściu wielu cząstek (wymagają dodatkowej obróbki)
• detektory aktywne - w których informacja o przejściu cząstki pojawia się w postaci impulsu elektrycznego natychmiast.

Detektory pasywne

Do detektorów pasywnych należą:

• emulsje jądrowe ( emulsja fotograficzna );
• 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 mechaniczne — uszkodzenia — na powierzchni dielektryka );
• detektory aktywacyjne (pod wpływem promieniowania pewna liczba jąder atomowych 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 ).

Detektory aktywne

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 elektryczne powoduje dryf elektronów, a w konsekwencji powstanie impulsu elektrycznego. Należą do nich:

• licznik Geigera - Müllera ;
• komora jonizacyjna , w której między elektrodami (zazwyczaj 2 równoległe płaszczyzny przewodnika) panuje taka różnica potencjałów , że wszystkie jony i elektrony powstały podczas pierwotnej jonizacji wywołanej przejściem cząstki są wychwytywane, a pole elektryczne jest na tyle niskie, że nie występuje jonizacja wtórna (bywa wypełniona cieczą)
• komora proporcjonalna ( licznik proporcjonalny ) - pole elektryczne 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 elektryczny 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 elektronowych 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 elektrycznych między elektrodami wzdłuż pasma jonów
• komora dryfowa (rodzaj wielodrutowej komory dryfowej, komora z projekcją czasową)
  

2. detektory półprzewodnikowe - podstawowym elementem jest złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym; swobodne nośniki prądu elektrycznego generowane w obszarze czynnym detektora (kryształ półprzewodnika) są zbierane na elektrodach; powstający krótkotrwały (rzędy kilkudziesięciu ns ) impuls prądu jest następnie wzmacniany i rejestrowany. Wraz z rozwojem mikroelektroniki pojawiły się nowe rodzaje detektorów półprzewodnikowych o dużej gęstości elektrod

• mikropaskowe detektory krzemowe - służą do precyzyjnego pomiaru punktu trafienia cząstki naładowanej lub kwantu promieniowania rentgenowskiego w powierzchnię płytki detekcyjnej.

3. licznik scyntylacyjny - ośrodkiem 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 ośrodku czynnym promieniowania Czerekowa; 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 ośrodka o różnych stałych dielektrycznych (identyfikacja cząstek o energiach większych od 10 GeV).

6. detektory kalorymetryczne ( kalorymetry ) - zbudowane 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 elektrycznego (iskrowego; komora strumieniowa) jest dostępna natychmiast, lecz ze względów praktycznych utworzony obraz toru rejestruje się na błonach fotograficznych lub holograficznych i znacznie później analizuje.

Podsumowanie

Obecnie podstawową rolę w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej detektory, które pozwalają na szybką (10^-7-10^-9 s) detekcję cząstek, charakteryzują się krótkim czasem martwym (10^-5-10^-8 s) i umożliwiają elektronowe przetwarzanie pierwotnego sygnału; takie detektory są zazwyczaj łączone w zespoły (zw. detektorami hybrydowymi) złożone z wielu typów detektorówdo detekcji różnorodnych cząsteczek w szerokim obszarze energetycznym (np. ALEPH). Sygnały do współczynników układów detekcyjnych są z reguły analizowane za pomocą odpowiednio oprogramowanych komputerów.

Bibliografia