Zastosowanie promieniowania jądrowego w miernictwie przemysłowym

Detektory promieniowania jądrowego to urządzenia służące do: wykrywania, liczenia, mierzenia energii, mierzenia pędu cząstek. Pole magnetyczne zakrzywia tory cząstek pozwalając na pomiar ich pędów, ponieważ stopień zakrzywienia toru zależy od pędu cząstki oraz jąder atomowych emitowanych w wyniku oddziaływań, w których uczestniczą jądra lub cząstki elementarne. Szczególnie ważną role detektory odgrywają w analizowaniu różnego rodzaju reakcji jądrowych. Podstawę działania wszystkich detektorów stanowi oddziaływanie cząstek naładowanych z ośrodkiem materialnym.

      W większości detektorów oddziaływanie to polega na jonizowaniu atomów ośrodka(jonizacja polega na wybijaniu elektronów z atomów ośrodka), natomiast w pozostałych detektorach wynikiem oddziaływania cząstki naładowanej z ośrodkiem jest emisja fotonów , którą można podzielić na:

• scyntylacje - cząstka przechodząca przez niektóre substancje pobudza atomy , które następnie emitują fotony

• promieniowanie Czerenkowa - cząstka poruszająca się w ośrodku szybciej niż światło wysyła fotony w stożku przypominającym fale uderzeniową naddźwiękowego samolotu

• promieniowanie przejścia - emitowane przez cząstkę na granicy dwóch ośrodków

• promieniowanie hamowania - emitowane przez cząstkę zwalniającą w ośrodku

      Detektory cząstek elektrycznie obojętnych działają z reguły na zasadzie rejestracji zjawisk wywołanych przez naładowane cząstki wtórne tj. cząstki naładowane stanowiące produkt oddziaływania cząstek obojętnych z ośrodkiem materialnym.

Detektory śladowe

Umożliwiają one obserwację wizualną (lub rejestrację fotograficzną) śladów torów cząstek naładowanych.

1. Klisze jądrowe to najwcześniej zastosowany detektor śladowy, w którym obserwuje się skutki jonizacji wywołanej przez cząstkę naładowaną w emulsji fotograficznej o nieco zmodyfikowanym składzie chemicznym (zwiększona zawartość AgBr) w porównaniu z emulsjami zwykłymi. Wywołanie i utrwalenie kliszy jądrowej uwidacznia ślad cząstki w postaci ścieżki utworzonej z ziaren kryształków srebra.    

2. Komora Wilsona jest detektorem, w którym znalazło zastosowanie zjawisko kondensacji pary przegrzanej na zarodkach kondensacji. Podczas nagłego rozprężania gazu zachodzi kondensacja pary na jonach wywołanych przez przebiegającą cząstkę naładowaną. W wyniku rozprężania gazu tuż po przejściu cząstki jonizującej, a następnie sfotografowaniu komory otrzymuje się obraz "ścieżki jonowej" w postaci ścieżki kropelek skondensowanej pary. Ścieżka taka stanowi ślad toru cząstki naładowanej odpowiedzialnej za zachodzącą w komorze jonizację.

3. Komora pęcherzykowa działa w oparciu o zjawisko lokalnego parowania (tworzenia się pęcherzyków pary) cieczy przegrzanej w obszarach, w których wskutek przejścia przez ciecz cząstki jonizującej wytworzone zostały pary jonów. Gwałtowne powiększenie objętości komory w odpowiednim czasie po przejściu cząstki jonizującej pozwala na otrzymanie ścieżki pęcherzyków pary odtwarzającej tor cząstki. Obecnie stosowane są komory pęcherzykowe napełnione wodorem, deuterem, helem oraz ciężkimi cieczami, jak propan, mieszanina freonów lub ksenon  w stanie ciekłym. Stosuje się również komory pęcherzykowe, w których część objętości wypełniona jest np. ciekłym wodorem, a pozostała część ciężką cieczą. Pozwala to badać oddziaływania cząstek padających z protonami oraz rejestrować powstałe w oddziaływaniu fotony w ciężkiej cieczy, gdzie prawdopodobieństwo konwersji fotonu na parę elektron-pozyton jest duże.

4. Komora iskrowa stanowi układ oddzielonych warstwami gazu równoległych elektrod, między którymi wytworzono różnicę potencjału. Jonizacja wywołana w gazie przejściem cząstki naładowanej zapoczątkowuje wyładowania iskrowe między elektrodami, przy czym lokalizacja iskier odpowiada miejscom przejścia cząstki przez warstwę gazową. Iskry mogą być fotografowane bądź rejestrowane za pomocą odpowiednich układów rejestrujących przestrzenny rozkład efektów związanych z przebiciem elektrycznym (np. komory akustyczne - z rejestracją efektów akustycznych) towarzyszących przeskokowi iskry. Wydajność komór iskrowych zależy od kierunku toru cząstki (najbardziej wydajna jest rejestracja cząstek biegnących w kierunku prostopadłym do elektrod).

Detektory nieśladowe

Dokonują rejestracji i analizy skutków oddziaływań cząstek z ośrodkiem materialnym, po uprzednim przetworzeniu tych skutków na sygnały elektryczne. Do nieśladowych detektorów jądrowych należą:

1. Detektory elektryczne stanowią wypełnione gazem naczynia z umieszczonymi wewnątrz elektrodami. Dzięki utrzymaniu między elektrodami stałego napięcia  w detektorze istnieje pole elektryczne. Elektrony i dodatnie jony, wytworzone w naczyniu podczas przejścia cząstki naładowanej, poruszają się pod wpływem pola elektrycznego ku elektrodom i po dojściu do nich wywołują impuls elektryczny.

2. Komora jonizacyjna, która pozwala na rejestrację całkowitego impulsu wywołanego sumarycznym efektem jonizacji spowodowanej przejściem wielu czastek przez komorę. Komory jonizacyjne stosowane są do wyznaczania strumieni cząstek i natężeń źródeł promieniotwórczych.

3. Licznik Geigera-Müllera, składa się z metalowego cylindra o średnicy kilku cm, wypełnionego gazem szlachetnym. W środku cylindra biegnie cienki izolowany drut stanowiący anodę. Pomiędzy uziemionym cylindrem, a drutem wytwarzane jest pole elektryczne. Cząstka przechodząca przez  licznik powoduje powstanie wewnątrz licznika jonów, które przyśpieszane polem elektrycznym tworzą lawinę jonów dodatnich i elektronów. Te ostatnie ze względu na małą masę bardzo szybko osiągają anodę, powodując przepływ prądu przez opór R i tak duży spadek napięcia na anodzie, że przerywa on dalszy rozwój lawiny. Ten krótkotrwały spadek napięcia nosi nazwę impulsu. Rejestrując poszczególne impulsy, z których każdy odpowiada przejściu przez licznik pojedynczej cząstki, możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez licznik

4. Detektor półprzewodnikowy to detektor, w którym zasadniczą rolę odgrywa półprzewodnik. Przewodnictwo elektryczne tego półprzewodnika zależy od ilości nośników ładunku typu elektronowego lub dziurowego. Detektor ten rejestruje skutki jonizacji, polegającej na wytworzeniu par elektron-dziura. Energia potrzebna do wytworzenia takiej pary nośników jest rzędu kilku eV, dzięki czemu zdolność rozdzielcza urządzeń tego typu, stosowanych do wyznaczania energii rejestrowanych cząstek, jest znacznie wyższa niż w zwykłych jonizacyjnych detektorach. Odbierany z elektrod sygnał, wytwarzany w detektorach elektrycznych przez cząstki jonizujące jest z reguły wzmacniany i rejestrowany przez pomocnicze układy elektroniczne.  

5. Detektory optyczne układy, w których przejście cząstki jonizującej przez ciało robocze powoduje emisję fotonów, które są następnie rejestrowane i analizowane przez odpowiednie układy przekształcające sygnały optyczne na elektryczne. Zasadniczymi elementami takich układów przekształcających są fotopowielacze.

Detektory gazowe

Komora jonizacyjna Cząstka naładowana przechodząca przez ośrodek materialny powoduje m. in. jonizację tego ośrodka. Zbierzmy uwolnione ładunki w jednym miejscu - dostaniemy impuls elektryczny dający się zmierzyć. Komora jonizująca, która pozwala rejestrację całkowitego impulsu wywołanego sumarycznym efektem jonizacji spowodowanej przejściem wielu cząstek przez komorę. Komory jonizacyjne stosowane są do wyznaczania strumieni cząstek i natężenia źródeł promieniotwórczych. 1.1. Zastosowanie komory jonizacyjnej: dozymetria - komory stałoprądowe fizyka jądrowa - detekcja i pomiar energii cząstek alfa lub fragmentów jądrowych (rzadko stosowane - głównie z jakichś powodów nie da się zastosować innych detektorów) fizyka wysokich energii - cieczowe komory jonizacyjne

Licznik Geigera-Mullera Składa się on z metalowego cylindra o średnicy kilku cm, wypełniony gazem szlachetnym. W środku cylindra biegnie cienki izolowany drut stanowiący anodę. Pomiędzy uziemionym cylindrem, a drutem wytworzone jest pole elektryczne. Cząstka przechodząca przez licznik powoduje powstanie wewnątrz licznika jonów, które przyśpieszone polem elektrycznym tworzą lawinę jonów dodatnich i elektronów. Te ostatnie ze względu na małą masę bardzo szybko osiągają anodę, powodując przepływ prądu przez opór R i tak duży spadek napięcia na anodzie, że przerywa on dalszy rozwój lawiny. Ten krótkotrwały spadek napięcia nosi nazwę impulsu. Rejestrując poszczególne impulsy, z których każdy odpowiada przejściu przez licznik pojedynczej cząstki, możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez licznik. 2.1.Właściwości licznika Geigera-Mullera: prosta konstrukcja duży impuls, ustalona amplituda - prosta elektronika odczytu (dla typowego

• licznika: 10^9 elektronów na wyładowanie), pojemność ~10 pF , amplituda impulsu 5-10 V

• utrata informacji o rodzaju, energii i pozycji cząstki

• czas martwy - limit 10^4 zliczeń/sek (niskie ciśnie nie pomaga)

2.2Zastosowania licznika Geigera-Mullera:

• zanikające, głównie ochrona radiologiczna (stwierdzenie obecności promieniowania)

3. Licznik proporcjonalny

Źródłem powstawania impulsu są jony dodatnie.

3.1 Właściwości licznika proporcjonalnego:

• mały czas martwy

• odporność na promieniowanie

• dość szybki impuls (czas dryfu elektronów)

• mała amplituda impulsu - potrzeba wzmacniacza
  

4. Komora dryfowa

Jest to komora proporcjonalna, z dokładniejszym pomiarem toru cząstki naładowanej w kierunku poprzecznym do toru. Idea: po przejściu cząstki naładowanej przez gaz uwolnione przez nią elektrony dryfują z dobrze zdefiniowaną, stosunkowo niewielką prędkością w kierunku anody. Mierząc czas pomiędzy przejściem cząstki przez komorę a zarejestrowaniem impulsu i znając tę prędkość można obliczyć drogę przebytą przez elektrony, a więc i odległość toru cząstki od drutu.

Zastosowanie komory dryfowej:

• fizyka wysokich energii, do śledzenia torów i pomiaru pędów cząstek naładowanych (przez pomiar zakrzywienia w polu magnetycznym)
  
  5. Komora iskrowa

Obserwowane są w niej wyładowania wzdłuż toru cząstki. Wygaszanie wyładowań przez obniżenie napięcia (ogromny czas martwy) Komorę iskrową stosuje się praktycznie wyłącznie do demonstracji dla szerokiej publiczności (pokazy promieniowania kosmicznego)-bardzo efektowny detektor "multimedialny".


6. Podsumowanie

• bardzo duża i różnorodna grupa detektorów

• liczne zastosowania w wielu dziedzinach

• idea daleka od wyczerpania - regularnie powstają nowe konstrukcje

Detektory półprzewodnikowe

Idea podobna jak w detektorach gazowych: promieniowanie wywołuje jonizację ośrodka, uwolnione ładunki zbieramy w jednym miejscu i dostajemy impuls elektryczny. Ośrodkiem jest w tym przypadku ciało stałe - kryształ półprzewodnika.

1. Półprzewodnikowe detektory pozycyjne

Silicon Microstrip Detector


Podobnie jak w detektorach gazowych można próbować zlokalizować gdzie w detektorach nastąpiła jonizacja. Cienki (kilkaset mikrometrów) detektor krzemowy, jedna z elektrod odczytowych (od strony dużej koncentracji domieszek) ma postać szeregu cienkich pasków. Mechanizm powstania impulsów na paskach analogiczny do powstania impulsów na katodach komory proporcjonalnej. Przy odczycie cyfrowym dokładność odczytu pozycji jest rzędu odległości między paskami (typowo kilkadziesiąt mikrometrów), natomiast przy zastosowaniu odczytu analogowego i metody środka ciężkości możliwa precyzja wyznaczenia pozycji do kilku mikrometrów). Zaletą półprzewodnikowych detektorów pozycyjnych jest doskonała przestrzenna zdolność rozdzielcza oraz szybkość odpowiedzi detektora. Wadą jest to, że wymagają dużo elektroniki odczytowej (można część zrobić od razu na tym samym krysztale krzemu) jak i kłopoty ze zniszczeniami radiacyjnymi. Detektory półprzewodnikowe pozycyjne stosuje się przede wszystkim do śledzenia torów cząstek i rekonstrukcji rozpadów krótko życiowych obiektów.

2. Krzemowa komora Dryfowa

Umieśćmy złącza p - n po obydwu stronach płytki krzemu. Z obydwu stron powstaną obszary zubożone:


Dodajemy drugą elektrodę gdzieś na brzegu płytki i przyłóżmy napięcie w kierunku zaporowym. Obszary zubożone rozproszą się, aż do zetknięcia w środku płytki.


W środku powstaje dolinka potencjału, elektrony uwolnione w objętości półprzewodnika będą gromadzić się w tym obszarze i poruszać się dolinką w kierunku elektrody n*. Zamieńmy elektrony p* na szereg pasków dobierając potencjały pasków tak, aby centralna dolinka miała stałe nachylenie (stałe pole elektryczne wzdłuż osi x). Elektrony dryfują do elektrody n* ze stałą, znaną prędkością - jak w zwykłej (gazowej) komorze dryfowej. Tak samo jak w zwykłej komorze dryfowej mierzymy czas pomiędzy przejściem cząstki a pojawieniem się sygnału. Jeżeli pole w którym dryfują elektrony jest rzeczywiście stałe, to czas jest proporcjonalny do odległości cząstki od elektrody odczytowej. Nie jest powszechnie wykorzystywana przez fizykę wysokich energii, ponieważ jest powolna.

3. Detektory półprzewodnikowe to bardzo interesująca i użyteczna grupa detektorów. Niezastąpione gdy potrzeba najwyższej precyzji pomiaru (energia, położenie, czasu). Technika detekcyjna intensywnie korzystająca z rozwoju elektroniki. Wymaga wysoko rozwiniętej technologii. Wysoka cena i mała powierzchnia detektora utrudnia użycie na wielką skalę. Możemy oczekiwać dalszego rozwoju tej dziedziny fizyki i nowych konstrukcji.

Detektory optyczne

Detektor optyczny składa się przeźroczystego ośrodka i elementu światłoczujnego. W ośrodku, przechodząca cząsteczka powoduje scyntylację, emisję promieniowania Czerenkowa lub promieniowania przejścia. Detektor neutrin Super-Kamionkande wykorzystuje zbiornik z 50 000 ton wody jako środek promieniowania Czerenkowa. Detektor promieniowania kosmicznego Amanda jako scyntylator wykorzystuje lód na Antarktydzie. Elementem światłoczułym jest zwykle fotopowielacz lub fotodioda. Fotopowielacz to zespół specjalnie ukształtowanych elektrod umieszczonych w bańce próżniowej. Padający foton wybija z pierwszej elektrody elektron, który po przyspieszeniu w polu elektrycznym wybija kilka elektronów z drugiej elektrody. Każdy z wybitych elektronów jest znowu przyśpieszany i wybija kilka nowych elektronów z następnej elektrody. Proces "powielania elektronów" jest kontynuowany aż do uzyskania mierzalnego prądu na ostatniej elektrodzie. Fotodioda to urządzenie półprzewodnikowe. Padający foton wytwarza nośniki (elektrony i dziury) umożliwiające przepływ prądu w kierunku zaporowym.

---