Детекторы ионизирующих частиц и излучений. Принципы и применения

А.И. БОЛОЗДЫНЯ, И.М. ОБОДОВСКИЙ





                ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЯ







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

     А.И. Болоздыня, И.М. Ободовский
       Детекторы ионизирующих частиц и излучений. Принципы и применения: Учебное пособие / А.И. Болоздыня, И.М. Обо-довский — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 208 с.
       ISBN 978-5-91559-105-8

       Учебное пособие призвано восполнить пробел, образовавшийся в современной научно-технической литературе на русском языке, в области технологий регистрации проникающих излучений.
       Детекторы широко используются в современной науке для поиска новых элементарных частиц на ускорителях и темной материи во Вселенной, поиска редких процессов, как, например, двойного безнейтринного бета-распада, и космических частиц с необычными свойствами. Детекторы также играют ключевую роль в широком спектре промышленных и медицинских применений.
       В книге рассматриваются физические процессы, лежащие в основе работы детекторов, технологические приемы, обеспечивающие их функционирование и примеры наиболее удачных приборов, в которых эти процессы и приемы были реализованы. Диапазон рассмотренных применений простирается от стандартного оборудования кабинета стоматолога до уникальных низкофоновых установок, расположенных в глубоких подземных лабораториях.
       Книга в первую очередь предназначена для студентов и преподавателей физических и инженерно-физических факультетов, физиков-экспериментаторов, инженеров-разработчиков новых измерительных и медицинских приборов.
       Книга может быть полезна и широкому кругу любознательных читателей, которых интересует, как человек может познать мир элементарных частиц, недоступный обычным органам чувств.









    ISBN 978-5-91559-105-8       © 2012, А.И. Болоздыня,
                                   И.М. Ободовский
                                 © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

          ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие................................................. 8

    Глава 1
    ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ...................11
        1.1. О видимом и невидимом..............................13
        1.2. Особенности процессов в микромире..................14
        1.3. Радиоактивные нуклиды..............................16
        1.4. Искусственные источники излучений..................21
        1.5. Космические лучи...................................23

    Глава 2
    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ........................26
        2.1. Вероятность взаимодействия частиц..................28
        2.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом.......28
            2.2.1. Ионизация и возбуждение атомов вещества .....28
            2.2.2. Удельные потери энергии и удельная ионизация.30
            2.2.3. Однократное и многократное рассеяние.........33
            2.2.4. Пробег частиц................................34
            2.2.5. Черенковское и переходное излучения..........36
            2.2.6. Радиационные потери энергии..................38
            2.2.7. Ядерные потери энергии.......................39
            2.2.8. Упругие потери энергии.......................40
        2.3. Взаимодействие гамма-квантов с веществом...........40
            2.3.1. Фотоэффект...................................41
            2.3.2. Комптон-эффект...............................41
            2.3.3. Образование электрон-позитронных пар.........44
            2.3.4. Полное поглощение гамма-излучения............45

—1 Оглавление

        2.4. Взаимодействие нейтронов с веществом..................46
            2.4.1. Ядерные реакции под действием нейтронов.........46
            2.4.2. Упругое рассеяние нейтронов ....................49

    Глава 3
    МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ....................................................51
        3.1. Общие принципы.......................................52
            3.1.1. Средняя энергия образования электрон-ионной пары и фотона.............................................52
            3.1.2. Флуктуации ионизации............................53
        3.2. Измерение электрического заряда.......................53
            3.2.1. Дрейф носителей зарядов в газах и твердых телах.53
        3.3. Методы регистрации и собирания фотонов................57
            3.3.1. Визуальная регистрация фотонов..................57
            3.3.2. Вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ) .....57
            3.3.3. Полупроводниковые фотодиоды.....................59
        3.4. Методы физического усиления сигналов..................62
        3.5. Электронные методы обработки сигналов.................63
        3.6. Методы идентификации частиц...........................65
        3.7. Общие характеристики детекторов.......................68
            3.7.1. Эффективность регистрации.......................69
            3.7.2. Мертвое время...................................69
            3.7.3. Энергетическое разрешение.......................70
            3.7.4. Пространственное разрешение.....................71
            3.7.5. Точность временной привязки.....................72

    Глава 4
    РЕГИСТРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.........................73
        4.1. Регистрация радиоволн.................................74
        4.2. Регистрация света.....................................76
            4.2.1. Тепловые фотодетекторы..........................76
            4.2.2. Фотоэлектрические фотодетекторы.................77
            4.2.3. Фотохимические фотодетекторы....................78
        4.3. Регистрация рентгеновских и мягких гамма-квантов......78
        4.4. Регистрация гамма-квантов высокой     энергии.........80

Оглавление -i\r 5

    Глава 5
    РЕГИСТРАЦИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ...........................84
       5.1. Ионизационные камеры............................84
       5.2. Детекторы с газовым усилением...................88
           5.2.1. Пропорциональные счетчики.................88
           5.2.2. Счетчики Гейгера .........................89
           5.2.3. Искровые счетчики.........................90
       5.3. Полупроводниковые детекторы.....................91
       5.4. Сцинтилляционные детекторы......................97
       5.5. Эмиссионные детекторы..........................103
       5.6. Черенковские детекторы.........................107

    Глава 6
    РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ..................................108
       6.1. Источники нейтронов............................108
       6.2. Эффективность регистрации нейтронов............109
       6.3. Активационный метод регистрации нейтронов......111
       6.4. Регистрация нейтронов детекторами..............113
           6.4.1. Регистрация медленных нейтронов .........113
           6.4.2. Регистрация быстрых нейтронов............114
       6.5. Внутриреакторные измерения.....................117
       6.6. Нейтроны в опытах по регистрации нейтрино......118

    Глава 7
    ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ.....................120
       7.1. Трековые камеры.................................120
           7.1.1. Камера Вильсона..........................120
           7.1.2. Диффузионная камера......................122
           7.1.3. Фотоэмульсионная камера..................124
           7.1.4. Пузырьковая камера.......................125
           7.1.5. Стримерная камера........................129
       7.2. Цифровые методы восстановления треков..........131
       7.3. Идентификация частиц с помощью позиционно-чувствительных детекторов................134
       7.4. Изображение полей ядерных излучений............136

Оглавление

Глава 8
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ В МЕДИЦИНЕ.......................137
   8.1. Рентгенография.................................138
       8.1.1. Фотопленки...............................140
       8.1.2. Газовые детекторы........................140
       8.1.3. Твердотельные детекторы для рентгена.....142
   8.2. Компьютерная томография........................142
   8.3. Однофотонная эмиссионная томография............144
       8.3.1. Комптоновская гамма-камера...............145
   8.4. Позитронно-эмиссионная томография..............147
   8.5. Магнитно-резонансная томография................149
   8.6. Применение детекторов в лучевой терапии........151
       8.6.1. Позиционирование.........................151
       8.6.2. Дозиметрия...............................152

Глава 9
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ.....................153
   9.1. Аналитические приборы и установки..............153
       9.1.1. Активационный анализ.....................153
       9.1.2. Метод меченых атомов ....................157
       9.1.3. Позитронный метод и рентген-флуоресцентный анализ.159
   9.2. Дефектоскопия..................................160
   9.3. Геологоразведка................................161
   9.4. Мониторинг энергетических установок............163
   9.5. Контроль технологических процессов.............164
   9.6. Контроль окружающей среды......................166
   9.7. Противопожарная безопасность...................167
   9.8. Охранные системы...............................169

Глава 10
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ..........................................171
   10.1. Исследования элементарных частиц..............171
       10.1.1. Вершинный детектор .....................175
       10.1.2. Трековые детекторы......................175

Оглавление —I 7

        10.1.3. Калориметры ...................................175
        10.1.4. Детекторы для идентификации частиц.............178
   10.2. Исследования атомного ядра............................180
   10.3. Исследования космических лучей........................182
        10.3.1. Детекторы на летательных аппаратах.............183
        10.3.2. Детекторы, использующие атмосферу Земли в качестве рабочего вещества.....................................187
        10.3.3. Детекторы, использующие водоемы и лед .........189
    10.4. Поиски редких процессов и гипотетических частиц......191
        10.4.1. Поиск темной материи во Вселенной..............192
        10.4.2. Нейтринная физика..............................195

Заключение.....................................................200

Список литературы..............................................202

        ПРЕДИСЛОВИЕ










          В самом конце XIX в. почти одновременно было сделано три важных открытия, показавших, что в природе существуют ранее неизвестные ионизирующие излучения. Ионизирующими их назвали из-за способности ионизировать вещество, т. е. отрывать электроны от атомов.
   Последовательно, в 1895, 1896 и 1897 гг. немецким ученым К. Рентгеном, французским ученым А. Беккерелем и английским ученым Дж. Дж. Томсоном были открыты рентгеновское излучение, радиоактивность и элементарная частица электричества — электрон. В 1912 г. Э. Резерфорд опубликовал статью, в которой на основе опытов, выполненных его молодыми сотрудниками Г. Гейгером и Э. Марсденом (Гейгеру во время проведения опытов было 27 лет, а Марсдену — 20), сформулировал ядерную модель атома. После этого ионизирующие излучения получили право называться ядерными, хотя по существу являются потоком элементарных частиц.
   С тех пор прошло более 100 лет. За это время выяснилось, что ионизирующие излучения могут использоваться как во вред, так и с большой пользой для человека. Полезны они настолько, что теперь без них уже трудно обойтись. Многие аспекты полезного использования излучений будут освещены в этой книге. А по поводу вреда следует сказать, что потери человеческих жизней и материальный урон от неосторожного использования ионизирующих излучений и ядерной энергии в целом за сто лет использования ядерных технологий оказался значительно меньше, чем от огня (пожаров), от автомобильных аварий, авиационных, железнодорожных и водных транспортных катастроф и от различных химических воздействий (включая взрывы) на среду обитания человека.
   Такая довольно высокая надежность работы с ионизирующими излучениями, которые в принципе могут уничтожить все живое,

Предисловие

Л

9

определяется в значительной степени тем, что эти излучения надежно регистрируются. Подробно изучено их воздействие на живые организмы и на различные материалы, использующиеся человеком в его практической деятельности. Четко определены и сформулированы правила обращения с источниками ионизирующих излучений и если бы эти правила всегда неукоснительно выполнялись, работа с ионизирующими излучениями была бы одной из самых безопасных сфер человеческой деятельности. Во всех проблемах, связанных с опасностью радиоактивного поражения, на первом месте стоит, как это принято теперь говорить, человеческий фактор. Виноваты не сами излучения, а то, как с ними работают, каков уровень понимания, что такое ионизирующие излучения, в чем их полезность и в чем опасность, в каких случаях без них можно обойтись, а в каких невозможно. Авторы надеются, что прояснить эти вопросы поможет данная книга.
   Книга призвана восполнить пробел, образовавшийся в современной научно-технической литературе на русском языке, в области технологий регистрации проникающих излучений. Она посвящена физике, устройству и применениям детекторов ионизирующих частиц и излучений — приборов, с которыми современный человек сталкивается гораздо чаще, чем полагает, — и в кабинете стоматолога, и на стройке, и в телевизионной студии, и при обеспечении противопожарной безопасности, и при разведке нефтяных полей, и при освоении космического пространства, и в системах управления производством электроэнергии. Детекторы широко используются в современной науке в качестве инструментов для поиска и исследования редких процессов, решения задач, имеющих фундаментальное значение для понимания устройства Вселенной, поиска новых явлений за пределами познанного мира. К подобного рода задачам относятся поиски новых элементарных частиц на ускорителях, космических реликтовых частиц с необычными свойствами.
   В книге рассматриваются физические процессы, лежащие в основе работы детекторов, технологические приемы, обеспечивающие их функционирование, и примеры наиболее удачных приборов, в которых эти процессы и приемы были реализованы. Диапазон рассмотренных применений простирается от противопожарного оборудования до уникальных низкофоновых экспериментальных установок, расположенных в глубоких подземных лабораториях.

¹⁰ -V

Предисловие

   Книга в первую очередь предназначена студентам и специалистам смежных физических специальностей, а также химикам, биологам, инженерам и всем тем, кого интересуют основные проблемы современной физики. Она может использоваться специалистами как справочное пособие по поиску источников более детальной информации по специальным вопросам технологии детекторов и их применений. Книга может быть также полезна для расширения кругозора студентам и преподавателям физических и инженерно-физических факультетов, физикам-экспериментаторам и инженерам-разработчикам новых измерительных приборов и поможет ориентировать читателя в широком спектре методов и технологий современных устройств для регистрации частиц и излучений. Широкий круг любознательных читателей, которых интересует вопрос о том, как человек познает окружающий мир в его проявлениях, недоступных обычным органам чувств, может найти в этой книге много полезного.

ГЛАВА

1



            источники


        ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ







           В мире, в котором мы живем, существует много источников излучений и энергичных элементарных частиц, которые движутся вокруг нас, сквозь нас, пронизывая все окружающее нас пространство. Это и космическое излучение, и ливни вторичных энергичных частиц, рождаемые при взаимодействии космических частиц высокой энергии с атмосферой Земли, и продукты распада нестабильных изотопов атомов, из которых построена Земля, и излучения искусственного происхождения от радиоволн и источников освещения до рентгеновского излучения электронно-лучевых трубок телевизоров и ядерных излучений энергетических установок электрических станций. Полет на самолете на высоте 10 км увеличивает поток принизывающих наше тело энергичных частиц в 30 раз из-за того, что уменьшается толщина атмосферы, защищающей нас от воздействия излучений, приходящих из космоса. В окружающих нас горных породах содержится заметное количество радиоактивных изотопов, которые, претерпевая радиоактивный распад, излучают энергичные частицы. При распаде нестабильных изотопов уран-ториевых рядов возникают нестабильные изотопы тяжелого благородного газа радона, которые, благодаря химической инертности, относительно легко выходят из твердых тел и, попадая в атмосферу, значительно увеличивает дозную нагрузку на человека. Концентрация радона в плохо проветриваемых помещениях может в десятки и сотни раз превышать концентрацию этого газа на открытой местности. В шахтах, где добывают тяжелые металлы, концентрация радона может превышать концентрацию этого газа на берегу моря в десятки и сотни тысяч раз. Географическое положение наблюдателя также сильно влияет на интенсивность естественной радиоактивности, поскольку скальные породы отличаются высокой концентрацией радиоактивных элементов.

¹² -V

Глава 1. Источники ионизирующих частиц и излучений

    По мере развития техники в окружении человека появилось много искусственных источников радиации. Иногда это побочный продукт работы полезных устройств, таких как, например, атомные электростанции (АЭС), производящие электроэнергию. Иногда пучки энергичных частиц формируются специально, например для интроскопии (исследования внутренней структуры) биологических и индустриальных объектов или для лечения онкологических заболеваний, или для модификации свойств материалов.
    В любом случае присутствие полей ионизирующих излучений и энергичных частиц — часть нашей действительности, а потому должно контролироваться, чтобы использоваться не во вред, а во благо человека. Негативные последствия воздействия излучений и проникающей радиации хорошо известны. При взрыве ядерной бомбы, в зависимости от ее типа, от30до85 % поражающей энергии взрыва выделяется в форме электромагнитного излучения и проникающей радиации (энергичных частиц). Средства массовой информации подробно и красочно описывали последствия аварий на атомных электростанциях в Чернобыле и на Фукусиме. Положительному влиянию проникающей радиации на жизнедеятельность человека уделяется значительно меньше внимания. Между тем ионизирующие излучения несомненно оказывают существенное влияние на мутации живых организмов и, как следствие, на эволюционные процессы. Существование живых организмов всегда происходило в условиях присутствия естественных энергичных излучений и потоков высокоэнергичных частиц. Даже наша звезда Солнце — общепризнанный источник жизни на Земле — помимо видимого излучения излучает широкий диапазон электромагнитных излучений и энергичных частиц — солнечный ветер. Основной компонентой заряженных частиц в солнечной радиации являются протоны, 10 % — ионы гелия (альфа-частицы), 1 % — тяжелые ионы и электроны. Одним из очевидных и живописных демонстраций присутствия энергичных частиц в окружающем нас мире служат полярные сияния, возникающие в местах взаимодействия с верхними слоями атмосферы Земли заряженных частиц солнечного ветра, захваченных магнитным полем Земли.
    Предметом данной книги являются детекторы — инструменты, которые позволяют контролировать потоки радиации и регистрировать единичные частицы достаточно высоких энергий.

1.1. О видимом и невидимом

13


    1.1.

    О ВИДИМОМ И НЕВИДИМОМ


           Человек познает мир с помощью органов чувств. Около 90 % информации из окружающего мира человек получает благодаря зрению. Глаз человека — это детектор электромагнитных излучений с чувствительностью в диапазоне длин волн от 750 до 390 нм или, соответственно, в энергетическом диапазоне от 1,65 до 3,2 эВ. Глаз — естественный и очень чувствительный датчик света, который, будучи выдержан в темноте, способен регистрировать отдельные фотоны указанных выше длин волн и энергий. Глаз имеет довольно сложное устройство и практически является многоканальным фотодетектором со сложной, регулируемой мозгом, оптической системой формирования изображения на ковре высокочувствительных оптических датчиков — сетчатке. На рис. 1.1 показана схема устройства глаза. Роговая оболочка вместе с передней камерой играет роль защиты хрусталика — объектива оптической системы глаза. Радужная оболочка — это диафрагма, апертура которой управляется специальными мышечными волокнами по сигналам из области мозга, ответственной за формирование качественного изображения. Оптическая сила хрусталика (кривизна оптических поверхностей) также управляется по командам, поступающим из области мозга, ответственной за формирования изображения на задней стенке глазного яблока, покрытой мозаикой светочувствительных клеток — сетчаткой.
   Электромагнитные излучения вне указанного выше видимого диапазона, а также излучения и частицы других видов оказываются недоступными для непосредственного наблюдения невооруженным глазом, за исключением случаев, когда энергия излучения может трансформироваться в фотоны видимого диапазона, способные активировать клетки сетчатки глаза. Так, например, релятивистские заряженные частицы могут возбуждать излучение Вавилова—Черенкова в стекловидном теле глаза, а сильновзаимодействующие частицы могут прямо активировать клетки сетчатки. Впервые этот эффект описал астронавт Э. Олдрин, участник исторической экспедиции Аполло-11, совершившей высадку на Луну человека в 1969 г.
   Причина, по которым клетки сетчатки реагируют на попадание в них фотонов видимого диапазона, заключается в том, что клетки содержат молекулы родопсина, которые ионизируются фотонами видимого света, меняя ионную проводимость клетки. Это приводит к генерации сигнала, передаваемого в мозг через жгут нервных волокон

¹⁴ -V

Глава 1. Источники ионизирующих частиц и излучений

— зрительный нерв (см. рис. 1.1). Собственно говоря, этот механизм иллюстрирует основной принцип действия любого детектора: преобразование поглощенной энергии частицы в рабочем веществе детектора в электрической сигнал, измеряемый с помощью стандартной измерительной техники. В данном случае в качестве стандартной техники выступает нервная система человека, контролируемая мозгом.


Роговица

Склера

Зрачок

Радужка

Передняя камера глаза

Хрусталик

Сосудистая оболочка

Зрительный нерв

Сетчатка

Стекловидное

Ресничный поясок

тело

    Рис. 1.1. Схема устройства глаза — природного высокочувствительного детектора фотонов видимого света

    В подавляющем большинстве случаев, когда ставится задача измерить потоки ионизирующей радиации или даже зарегистрировать отдельные энергичные частицы, обычные органы чувств оказываются нечувствительными, поэтому и возникает необходимость использовать специальные инструменты для регистрации ионизирующих частиц и излучений — детекторы.



    1.2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ В МИКРОМИРЕ


           Прежде чем приступить к обсуждению методов регистрации излучений, полезно вспомнить, что мы вступаем в микромир и что явления в микромире существенно отличаются от хорошо нам знакомого мира макроскопических тел и их взаимодействий. Пере


числим эти отличия.

1.2. Особенности процессов в микромире

-\г ¹⁵

    1.    В макромире всеми явлениями управляют дальнодействующие гравитационное и электромагнитное взаимодействия. В микромире гравитация не играет заметной роли (кроме, пожалуй, экзотической ситуации с ультрахолодными нейтронами), а основную роль играют сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия. Причем теперь мы также знаем, что как электрическое и магнитное взаимодействия есть проявления единого электромагнитного, так электромагнитное и слабое есть разные проявления единого электрослабого. Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Хорошо известно, что гравитационное взаимодействие универсально, ему подвержены все частицы. Видимо, также обстоит дело со слабым взаимодействием. С остальными силами, действующими в природе, ситуация сложнее. Заряженные частицы подвержены действию электромагнитных сил, нейтральные их не чувствуют. Точно так же есть частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии, они называются лептоны. а те, что участвуют, называются адроны.
    2.    Микрочастицы проявляют не только свойства частиц, но и волновые свойства. Частицы могут описываться не только импуль-сомр и законами движения материальных тел, но и длиной волны А и принципом суперпозиции. Связь этих величин задается выражением для волны Де-Бройля: А = h/р, здесь h — постоянная Планка.
    3.    Электромагнитное излучение проявляет корпускулярные свойства. Энергия электромагнитного кванта (фотона) с частотой v дается формулой Планка: Т = h v. Квант электромагнитного излучения не имеет массы покоя, но имеет релятивистскую массу т = h v/с² и обладает импульсом р = h v/с, здесь с — скорость света.
    4.    В связанном состоянии частицы в микромире могут занимать только определенные энергетические уровни, т. е. их состояния квантованы.
    5.    Во многих случаях микрочастицы движутся со скоростями, при которых надо учитывать правила теории относительности. Такие частицы называют релятивистскими.
    6.    В ядерной физике энергия частиц в большинстве случаев измеряется внесистемной единицей электронвольт (эВ), в основном с десятичными приставками — килоэлектронвольт (кэВ), мегаэлектронвольт (МэВ), гигаэлектронвольт (ГэВ). В последнее время на крупнейших ускорителях Тэватроне в США и большом адронном коллайдере в ЦЕРН (Швейцария) получены частицы с энергией в тэраэлектронвольт. В космических лучах, хотя и редко, наблюдаются частицы с энергией до 10²¹ эВ.