detektor promieniowania jonizującego
 
Encyklopedia
detektor promieniowania jonizującego,
urządzenie do rejestracji promieniowania jonizującego przez przetworzenie pierwotnych skutków oddziaływań promieniowania z materią na sygnały obserwowalne.
Detektory promieniowania jonizującego są stosowane w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej, astrofizyce oraz w diagnostyce medycznej, biologii, energetyce jądrowej, badaniach materiałowych i in.; proste stanowią zasadniczą część dawkomierzy. Do detekcji wykorzystuje się głównie zdolność cząstek do jonizacji atomów ośrodka, 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).
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 elektrycznego 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 mechaniczne — uszkodzenia — na powierzchni dielektryka), detektory aktywacyjne (pod wpływem promieniowania pewna liczba jąder atomowych substancji czynnej ulega aktywacji — zmienia się w izotopy promieniotwórcze) oraz 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 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 powstałe 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; a także komora dryfowa i będąca rodzajem wielodrutowej komory dryfowej komora z projekcją czasową. 2) Detektory półprzewodnikowe — podstawowym elementem jest złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym; swobodne nośniki prądu elektrycznego generowane w obszarze czynnym detektora (kryształ półprzewodnika) są zbierane na elektrodach; powstający krótkotrwały (rzędu 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 służące 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 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 ośrodków 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.
Obecnie podstawową rolę w fizyce wysokich energii i fizyce jądrowej 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 elektroniczne przetwarzanie pierwotnego sygnału; takie detektory są zazwyczaj łączone w zespoły (zwane detektorami hybrydowymi) złożone z wielu typów detektorów do detekcji różnorodnych cząstek w szerokim obszarze energetycznym (np. ALEPH). Sygnały od współczesnych układów detekcyjnych są z reguły analizowane za pomocą odpowiednio oprogramowanych komputerów.
Bibliografia
B.H. BRANSDEN, D. EVANS, J.V. MAJOR Cząstki elementarne, Warszawa 1981.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia