Экспериментальные методы регистрации ионизирующих излучений

Ниже — сжатая «карта местности» по основным детекторам и подходам, что они меряют, где применяются, их плюсы/минусы и важные технические нюансы.

1) Газовые детекторы

Ионизационная камера.
Работает в режиме сбора ион-электронных пар без газового умножения (область «ионизационная» на вольт-амперной характеристике).

• Что меряет: ток ∝ мощности дозы; спектроскопия почти невозможна.

• Применение: дозиметрия, мониторинг интенсивных потоков (рентген, гамма).

• Плюсы: простота, линейность; минусы: низкая чувствительность.

Пропорциональный счетчик.
Повышенное поле → газовое умножение; амплитуда импульса ∝ энергии частиц.

• Что меряет: число частиц и (ограниченно) спектр энергии.

• Применение: α, β, мягкое X-излучение; нейтроны (см. ниже).

• Плюсы: энергетическая информация; минусы: требует стабильного газа/напряжения.

Счетчик Гейгера–Мюллера.
Еще выше поле → самостоятельный разряд, импульсы одинаковой высоты.

• Что меряет: только факт события (счет).

• Применение: портативная радиационная сигнализация.

• Плюсы: дешев, чувствителен; минусы: нет спектра, большая мертвая зона, «перенасыщение» на высоких потоках.

2) Сцинтилляционные детекторы

Кристалл/пластик ⇒ вспышка света ⇒ фотоумножитель (ФЭУ) или SiPM.

• Материалы: NaI(Tl), CsI(Tl) (гамма); LaBr₃(Ce) (лучше разрешение); пластики и жидкие сцинтилляторы (β, быстрые нейтроны, времяпролет).

• Что меряют: счет, спектр энергии; хорошая эффективность по γ за счет Z и объема.

• Плюсы: высокая эффективность, быстрые; минусы: хуже энергетическое разрешение, чем у полупроводников; гигроскопичность некоторых кристаллов.

3) Полупроводниковые детекторы

Пары электрон-дырка в p-n-переходе или обедненной области.

• Кремний (Si): α, β, заряженные тяжелые ионы; трекинг, ΔE-E телескопы.

• HPGe (высокоочищенный Ge): топ в γ-спектроскопии (энергетическое разрешение ~0,1–0,2% на 1,33 МэВ). Требует охлаждения (обычно жидкий азот/криоохладитель).

• Алмаз, SiC: радиационно-стойкие для высоких флюенсов.

• Плюсы: лучшее энергетическое разрешение; минусы: дороже, требовательны к шумам/температуре (особенно Ge).

4) Трековые и визуализирующие методы

Ядерные эмульсии, твердотельные трековые детекторы (CR-39).

• Регистрируют следы отдельных частиц по повреждениям/серебрянию. Высокая пространственная точность, но «оффлайн» обработка.

Камера Вильсона (туманная), пузырьковая камера.

• Исторические/демонстрационные: визуализация треков в пересыщенном паре или перегретой жидкости.

Проволочные камеры, дрейфовые камеры, TPC (Time Projection Chamber).

• Газовые позиционно-чувствительные детекторы: 3D-реконструкция треков, измерение dE/dx, времени дрейфа. Основа высокоэнергетических экспериментов.

5) Нейтронные детекторы (особый случай)

Нейтроны не ионизуют напрямую, используют ядерные реакции/замедление:

• ³He и BF₃ пропорциональные счетчики: n + ³He → p + t; n + ¹⁰B → α + ⁷Li. Высокая эффективность для тепловых нейтронов.

• Сцинтилляторы, активированные ⁶Li/¹⁰B/Gd: регистрируют продукты захвата.

• Пластики + протон-отдача (быстрые нейтроны): по отдачным протонам; часто PSD (разделение импульсов по форме) для отделения γ.

• Фиссионные камеры: слой ²³⁵U/²³⁸U; ток/импульсы от осколков деления.

• Модераторы (полиэтилен): перевод быстрых нейтронов в тепловые для повышения сигнала.

6) Дозиметрия и персональный мониторинг

Пленочная (film badge) — фотопочернение по дозе.
TLD (термолюминесцентные детекторы): LiF:Mg,Ti и др.; прочитка нагревом.
OSL (оптично-стимулированная люминесценция): Al₂O₃:C, прочитка светом.
Электронные персональные дозиметры (EПД): GM/сцинтиллятор/полупроводник + электронная обработка, показывают мощность дозы и накопленную дозу в реальном времени.

7) Оптические и черенковские методы

Черенко́вские детекторы: излучение в среде при v>c/n.

• Применение: идентификация частиц (RICH, аэрогели), нейтринные установки (водные/ледяные объёмы).

• Плюсы: очень быстрые; минусы: высокий порог, ограниченная энергетическая информация.

8) Калориметры (высокие энергии)

Электромагнитные (PbWO₄, CsI, жидкий аргон и т. п.) и хадронные (сталь/медь + сцинтиллятор): полное поглощение ливня → измерение энергии γ/е±/адронов.

• Плюсы: широкая апертура, измерение энергии на одном детекторе; минусы: масса/габариты, калбровка, нелинейности у адронов.

9) Радиохимические/активационные методы

Нейтронная активация, радиохимия: облучение → индуцированная активность → измерение γ-линий HPGe/NaI. Чрезвычайно чувствительны для анализа следовых количеств элементов.

10) Режимы регистрации и электроника

• Токовый режим: усредненный ионизационный ток (ионизационные камеры, фиссионные камеры) — хорошо для больших потоков.

• Импульсный режим: учет отдельных частиц (GM, пропорциональные, сцинтилляторы, полупроводники).

• Спектрометрический режим: измерение амплитуды импульса ∝ энергии (пропорциональные, сцинтилляторы, HPGe, Si).

• Времяпролет (TOF): определение скорости/массы по времени между детекторами.

• Совпадения/антисовпадения: логика «coincidence» для подавления фона и выделения каскадов/совместных процессов; «anticoincidence» — защита от фона (например, космического).

• Электроника: предусилитель → формирователь (CR-RC, цифровое формирование) → АЦП/МЦА; важны шумы, постоянные времени, согласование импеданса.

• Мертвая зона и перегрузка: учитывают при высоких скоростях счета (коррекции потерь).

• Калибровки: по известных γ-линий (¹³⁷Cs, ⁶⁰Co и др.), α-источникам (²⁴¹Am), рентген-линиям; для сцинтилляторов — линейность световыхода и гашение (эффект Биркса).

11) Ключевые метрики

• Эффективность регистрации (ε): геометрическая × внутренняя × программная (срезы).

• Энергетическое разрешение (FWHM/Э): лучше у HPGe, хуже у NaI(Tl), совсем грубое у GM.

• Порог чувствительности: зависит от фона, времени измерения и ε.

• Временное разрешение: сцинтилляторы/черенковские — наносекунды и лучше; HPGe — медленнее.

• Радиационная стойкость/стабильность: критично для длительных экспериментов.

12) Типичные задачи и выбор метода

• Дозиметрия на рабочем месте: ионизационные камеры, EПД, TLD/OSL.

• Гамма-спектрометрия (идентификация нуклидов): HPGe (макс. разрешение) или NaI(Tl) (полевая экспресс-оценка).

• Альфа/бета загрязнение поверхностей: тонкослойные сцинтилляторы, газовые пропорциональные счетчики, кремниевые детекторы для α-линий.

• Нейтронные поля: ³He/BF₃, ⁶Li-сцинтилляторы с модератором; для быстрых — пластик + PSD, TOF.

• Высокоэнергетическая физика/космика: трековые системы (Si, TPC, проволочные камеры) + TOF + калориметры + черенковские.

13) Практические тонкости измерений

• Фон и свинцовая/борированная защита: колпаки, антисовпадение, пассивные экраны.

• Саморазрешение/неоднородности: учет положения попадания, «настройка по свету» для сцинтилляторов.

• Температура и дрейфы: стабилизация для ФЭУ/SiPM/Ge; мониторинг HV.

• Кросс-калибровки и контрольные источники: регулярные проверки стабильности.

• Статистика Пуассона: оценка погрешностей, учет времени живого счета (live time) и мертвой зоны (dead time).

Итог: регистрировать ионизирующее излучение можно токовыми (ионизационные камеры), импульсными (GM/пропорциональные), световыми (сцинтилляторы, черенковские), полупроводниковыми (Si, HPGe), трековыми (TPC, дрейфовые, CR-39), радиохимическими и специализированными нейтронными методами. Конкретный выбор диктуют тип излучения, требуемая чувствительность/разрешение, спектрометрическая задача, временные масштабы и условия эксперимента.