Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Основной же недостаток таких детекторов — малое количество вещества в чувствительном объеме, так что для регистрации высокоэнергетических частиц с большим пробегом они не пригодны.
Сигнал от прохождения частицы в детекторе мал. Так, например, а-частица с энергией 3,5 МэВ образует в р — и-переходе заряд, равный 1,6•1O-13 Кл. Если емкость детектора 100 пФ, то импульс напряжения на его выходе составит и — QIC = 1,6•1O-8B. Чтобы с большой точностью измерить такой сигнал, пришлось разрабатывать специальные усилители с малым уровнем собственных шумов.
Кроме того, чтобы понивить шумы самого детектора, германиевые счетчики охлаждают до очень низких температур жидким азотом.
Из сказанного видно, что полупроводниковые детекторы удобно применять для определения энергии альфа-частиц или осколков деления тяжелых элементов. В этих щелях р — n-переход делают очень близко от поверхности счетчика, на глубине нескольких микрон, чтобы частица еря не растрачивала свою энергию в его материале. С помощью системы иэ двух кремниевых детекторов можно найти и массу осколка. Схема эксперимента выглядит так. На пути осколков ставится первый счетчик, толщина которого Дж составляв! всего десятки MHKpOH1 так
440
чтобы летящая частица оставила в нем лишь небольшую часть своей энергии. Если обратиться к формуле (19) из главы 4, то видно, что на длине Ax потери энергии —AE/Ах обратно пропорциональны квадрату скорости частицы. Второй счетчик выбирается достаточно «толстым» (несколько миллиметров), так что в его р — «-переходе частица поглощается полностью. Он служит для определения энергии E = 1I2TnV2. Произведение (AEIAx)E при известном заряде осколка (они при делении вылетают ионизированными) зависит только от его массы. И эту массу можно найти. Таким образом, среди продуктов деления были обнаружены изотопы с очень интересными ядерными свойствами. Например, изотоп гелия, не с двумя, а с шестью нейтронами,— гелий-8. При делении очень тяжелого калифорния-252 на миллион вылетевших осколков встречается два — три ядра гелия-8 (и тысячи ядер обычного гелия-4). Поскольку тяжелый изотоп так перегружен нейтронами, то за десятую долю секунды он распадается, излучая электроны.
Германиевые полупроводниковые детекторы часто применяются для гамма-спектрометрии. Хотя они и требуют охлаждения, но технические трудности искупаются гораздо большей эффективностью регистрации: и Z германия, и его хілотность намного превосходят такие же величины для кремния.
4.5. Опыт Фиорнни
В начале этой главы мы говорили о том, что в опытах по изучению двойного бета-распада экспериментальные установки не потрясают своими размерами. Например, искровая камера и сцинтилляционные счетчики в опыте Бардина, By и др. занимали в длину около двух метров. Но вот сама установка была опущена в шахту глубиной 600 м для защиты от космического излучения.
В опытах группы Фиорини с германиевым детектором работа шла в Международной лаборатории космических лучей.
Под высочайшим из альпийских пиков — Монбланом — проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На расстоянии четырех километров от итальянского выхода туннеля расположена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищают около двух километров горных пород — тол-
141
шина, эквивалентная, по подсчетам физиков, более чем четырем километрам воды. Такая мощная зашита в миллионы раз ослабляет поток космических мюонов. Схему установки, на которой работала итальянская группа, можно увидеть на рис. 30.
Внешняя защита — парафин — замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия — «абсолютно черный», т. е. полностью поглощающий медленные нейтроны Против гамма-квантов ведет борьбу защита
Парафин
\// f > >/ J'> ;;>>> f >t > >ґ// > '///¦typyWfHH",^,/"е/Ч'/// /(^ґШко^-ра^о^шбіші''''//,
І1І
^Дерево Детектор
Нейлон
Рис. 30. Схема установки группы Фиорини, с помощью которой искали двойной бета-распад германия-76.
из свинца. Сначала слой обычного свинца, но в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие материалы оказались «зараженными» радиоактивностью. Для человека эта радиоактивность совершенно не заметна — она в сотни и тысячи раз меньше естественного фона, но для таких низкофоновых установок может оказаться опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный — с низким уровнем радиоактивности. Часто такой свинец получают из свинцовых листов, покрывающих крыши старых зданий (церквей или замков). За прошедшие века радиоактивные элементы в них успели распасться, и они не могли «заразиться» от современных материалов. Последний слой пассивной защиты —
142
слой многократно очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки — германиевый детектор.
Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, с другой — их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около 7,5% германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная энергия равна 2 МэВ).
