Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
137
последних и наиболее тщательных опытов исследовалась руда с высоким содержанием теллура. Был обнаружен очень большой избыток ксенона-130, его содержание составляло 70% общего количества ксенона, тогда как в атмосфере это содержание всего 4%. Поскольку других аномалий в изотопном составе извлеченного газа не обнаружилось, то было естественно предположить, что такой избыток — результат двойного бета-распада теллура-130, происходившего с временем жизни 1021 лет. Физики доказали также, что 130Xe не мог образоваться из-за бомбардировки руды космическими частицами в течение почти полутора миллиардов лет (такой возраст имел образец).
Существование двойного бета-распада было подтверждено и другими геологическими (их еще называют масс-спектрометрическими) экспериментами. Но какого именної двухнейтринного или очень подавленного безнейтринного, этого опыты сказать не могли. И вопрос о механизме распада остался открытым.
Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах, в которых наблюдались продукты распада. Как мы уже говорили, если бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда. Прямые оиыты проводились с самыми разнообразными типами детекторов: камерой Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и полупроводниковыми счетчиками.
Начиная с 1951 г. и до наших дней исследователи увеличили чувствительность экспериментов примерно в сто тысяч раз! Несколько раз на протяжении этих лет казалось, что безнейтринный распад обнаружен. Но, через короткое время, опыты, поставленные с теми же изотопами, но с более высокой точностью, опровергали эти оптимистические результаты.
Максимальная оценка на время жизни ядер по отношению к безнейтринному распаду была достигнута в работах группы итальянских физиков под руководством Э. Фиорини. На примере этих исследований мы проиллюстрируем работу полупроводниковых счетчиков излучения. Но сначала расскажем о принципе регистрации частиц такими детекторами.
138
4.4. Полупроводниковый счетчик
Сцинтилляционные счетчики почти ровесники двадцатого века. Через пять лет заработал и первый газоразрядный детектор. Далекий прообраз искровых камер, искровой счетчик Кайффеля был создан в 1948 г. Полупроводниковые детекторы, наверное, ненамного старше читателей этой книги. Столь поздняя дата рождения обусловлена техническими причинами — для производства полупроводниковых детекторол необходимы сверхчистые материалы - германий и кремний. Химики научились выращивать почти беспримесные кристаллы этих элементов только около двадцати лет назад.
Рассмотрим теперь самую простую модель полупроводникового счетчика, состоящую из двух кристаллов полупроводника разных типов. В одном из них содержится некоторое количество свободно перемещающихся по кристаллу электронов. Это — полупроводник и-типа (от слова negative — отрицательный).
В другом — электроны могут перескакивать только между ближайшими атомами-соседями. Тогда по кристаллу передвигается вакантное место, эквивалентное положительному заряду (отсутствие отрицательного заряда есть заряд положительный). Это вакантное место носит название «дырка». Дырочная проводимость характерна для полупроводников р-типа (positive — положительный). Итак, два кристалла разных типов соединены воедино. В одном имеются подвижные дырки, в другом — электроны. Такое сочетание будет напоминать соединение двух ящиков с разными газами. Начнет происходить диффузия. Дырки устремятся в полупроводник с электронной проводимостью и, наоборот, электроны — в кристалл р-тииа. Поскольку газ электронов и дырок — заряженный газ, то возникает электрическое поле, которое начнет препятствовать дальнейшей диффузии. Из зоны соприкосновения кристаллов носители заряда разойдутся и она будет, как говорят, обеднена зарядом. Эта зона носит название р — п (или п — р)-перехода. Если приложить дополнительно электрическое напряжение к кристаллу так, чтобы еще больше увеличить разность потенциалов между р-и п-полупроводниками, то обедненная зона расширится.
Именно р — гс-переход и есть основная часть полупроводникового счетчика. Он эквивалентен ионизационной камере, только с твердым наполнителем. Свободных
139
sapядов вдесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление полупроводника (вот зачем нужна чистота материалов!) и чем ниже температура кристалла. При прохождении заряженной частицы она ионизует атомы и в р — гс-переходе появляются свободные заряды. Поле «растягивает» их в разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть зарегистрирован.
Самое привлекательное для физиков свойство полупроводниковых счетчиков — возможность очень точно определять энергию, потерянную частицей в области р — и-перехода. Хорошее энергетическое разрешение. Оно намного лучше, чем у сцишилляционных детекторов или газовых ионизационных камер. Для многих задач важно, чтобы при регистрации частиц близкой энергии сигналы от них разделялись — разрешались. Поэтому сразу же после создания полупроводниковые счетчики стали очень широко использоваться.
