Daļiņu detektors

Daļiņu detektors (jonizējošā starojuma detektors vai elementārdaļiņu detektors) ir ierīce, ko izmanto lielas enerģijas elementārdaļiņu un citu daļiņu (jonizējošā starojuma) detektēšanai un parametru mērīšanai. Detektorus lieto kā eksperimentālajā fizikā zinātniskos eksperimentos, tā arī medicīnā (scintigrāfijā, rentgenogrāfijā un citur), defektoskopijā, militārām vajadzībām un daudzos citos gadījumos, kad nepieciešams noteikt radioaktīvo piesārņojumu vai radioaktīvu materiālu klātbūtni. Elementārdaļiņu detektori var noteikt radioaktīvajā sabrukšanā radušās daļiņas, kosmisko staru daļiņas, daļiņu paātrinātājos mākslīgi radītas lielas enerģijas daļiņas.

Jonizējošā starojuma mērīšanai izmanto ierīces, kuru konstrukcija ir ļoti dažāda.

Dažādu daļiņu, piemēram, fotonu, plūsmas iedarbība uz vielu, kas tiek izmantota kā detektors, ir atšķirīga. Tā var būt jonizācija, ierosināšana, elastīgā izkliede vai neelastīgā izkliede. Līdz ar to atšķiras arī izmantotās mērīšanas metodes.

Mēriekārtu pamatsastāvdaļas

Scintilācijas detektora kristāls (nātrija jodīda monokristāls, aktivēts ar talliju)

• Detektors. Satur gaisu, citu gāzi vai cietu vielu, kas absorbē starojuma enerģiju un pārvērš to elektriskā signālā. Izplatītākie detektori:
  • jonizācijas detektori (kameras, proporcionālie skaitītāji, Geigera—Millera skaitītāji);
  • scintilāciju detektori;
  • pusvadītāju detektori.
• Pastiprinātājs (pastiprina jonizācijas izraisīto signālu).
• Pārveidotājs jeb analizators (ierīce, kas mēra detektora signālu lielumu vai skaitu, vai arī pārvērš iegūtos elektriskos signālus atbilstošās vienībās (Bq, Gy, Sv/h, R/h, imp./s, utt.).
• Displejs (digitāla vai analoga ierīce iegūtā rezultāta nolasīšanai)

Specifiskos gadījumos, lai noteiktu atsevišķu radioaktīvo izotopu klātbūtni un koncentrāciju, izmanto jonizējošā gamma starojuma spektra analizatorus, kas atšifrē detektorā iegūtos signālus ar speciāli izstrādātām datorprogrammām, un parāda rezultātus (elementārdaļiņu enerģiju spektru) uz datora ekrāna.

Jonizējošā starojuma mērīšanas iekārtas

Geigera—Millera skaitītājs

Jonizācijas kamera

Rentgenstaru skaitītājs ar lodziņu no berilija

1908.g. vācu fiziķis Hanss Geigers izgudroja ierīci ar, kuru varēja reģistrēt jonizējošo starojumu. 1928.g. Geigers kopā ar citu vācu fiziķi Valteru Milleru ierīci uzlaboja. To nosauca par jonizācijas kameru.

Jonizācijas kamera ir hermētiski noslēgta kamera, kurā atrodas īpaša sastāva gāze (visbiežāk argona maisījums ar spirtu tvaika stāvoklī). Šajā kamerā ir ievietoti divi elektrodi, kuriem ir pievadīts spriegums tik lielā apmērā, lai elektriskajā ķēdē nodrošinātu sātstrāvas plūšanu. Šo elektrisko strāvu mēra ar ķēdē pieslēgtu galvanometru vai padod to uz pastiprinātāju.

Kamerā esošā gāze strāvu nevada, jo tai nav elektrisko lādiņu, kuri spētu pārvietoties. Gāzi apstarojot ar jonizējošu starojumu, rodas lādiņnesēji - joni un elektroni, kuru skaits proporcionāli atbilst starojuma intensitātei.

Par jonizējošu starojumu uzskata jebkuru starojumu, kuri spēj jonizēt vielu. Šāds starojums ir elektromagnētiskais starojums ar pietiekami īsu viļņa garumu (ultravioletais starojums (tikai spektra apgabalā ar viļņu garumu mazāku par 125 nm) ; rentgenstarojums; gamma starojums). Starojums, kas rodas radioaktīvo vielu sabrukšanas procesā, arī ir jonizējošais starojums.

Tā kā caur jonizācijas kameru plūst sātstrāva, kuras stiprumu nosaka laika vienībā radīto jonu skaits, tad galvanometra uzrādītā strāva ir proporcionāla starojuma intensitātei. Tādēļ galvanometru bieži graduē nevis strāvas vienībās, bet gan starojuma intensitātes vienībās. Tas nozīmē, ka ar jonizācijas kameras palīdzību ir iespējams mērīt starojuma intensitāti, kura ir proporcionāla starojuma daļiņu skaitam, kas laika vienībā nonāk jonizācijas kamerā.

Geigera—Millera skaitītājs. K - kamera; A -elektrodu stieplīte; C - kondensators; R - rezistors; P - pastiprinošs bloks; Sk - skaitīšanas bloks.

Jonizējošā starojuma reģistrēšanai izveidotais Geigera—Millera skaitītājs sastāv no mazas jonizācijas kameras, kuru sauc arī par skaitītāja caurulīti. Tās izliekums, ģeometriskais veids un gāzes sastāvs izraudzīti tādi, lai caurulīte būtu ļoti jutīga un varētu reaģēt uz atsevišķu jonizējošu daļiņu parādīšanos tajā. Caurulītē atrodas divi elektrodi. Viens no šiem elektrodiem ir tieva stieplīte, kura atrodas nostieptā stāvoklī caurulītes vidū un ir izolēta no korpusa. Visbiežāk otru elektrodu veido pats caurulītes korpuss, kurš ir izgatavots no metāla (plāna alumīnija skārda). Pie elektrodiem ir pieslēgts līdzstrāvas avots, kurš starp abiem elektrodiem nodrošina apmēram 1000 V spriegumu.

Kad caurulītē nokļūst lādēta daļiņa, kurai ir tik liela enerģija, kas spēj jonizēt caurulītē esošo gāzi, tad izveidojošies joni, kuri kustas caurulītē, kļūst pa lādiņnesējiem. Starp elektrodiem veidojas elektriskās strāvas impulsi, ko var reģistrēt.

Novērots, ka atsevišķām daļiņām to izraisītie strāvas impulsi ir ļoti mazi, tādēļ tos pastiprina. Impulsus izvada caur kondensatoru un pievada pie pastiprināšanas bloka. Pēc tam pastiprinātais impulss nonāk skaitīšanas blokā, kas tos saskaita. Tādējādi pēc impulsu skaita var noteikt caurulītei cauri izgājušo daļiņu skaitu.

Lai šajā procesā skaitītājs spētu pareizi darboties, nepieciešams, lai caurulītē nokļuvušo daļiņu skaits nebūtu liels, jo citādi veidotos nepārtraukta jonizācija un skaitītājs vairs nespētu atšķirt atsevišķu daļiņu radītos impulsus.

Katram daļiņu veidam ir nepieciešama sava caurulīte. Alfa daļiņām ir maza caurspiešanās spēja un šīs daļiņas nespēj iziet cauri metāla vai stikla kārtai. Tādēļ caurulītēs, kuras ir paredzētas alfa daļiņu skaitīšanai, tiek ierīkoti lodziņi ar plānu vizlas kārtiņu. Tādēļ alfa daļiņas var nokļūt caurulītē tikai caur šiem lodziņiem.

Lai būtu iespēja saskaitīt bēta daļiņas (elektronus ar lielu enerģiju), izmanto caurulītes ar alumīnija apvalku, jo bēta daļiņas var brīvi iziet cauri plānai alumīnija kārtiņai.

Gamma starojums ļoti vāji jonizē gāzes, jo tam nav elektriskā lādiņa un tādēļ uz elektronu elektrisko lauku tie nevar iedarboties. Gammas daļiņas var jonizēt gāzes atomus, tieši saduroties ar atomu elektroniem, bet šis process ir ļoti reti sastopams, tādēļ lielākā daļa gamma daļiņu iziet cauri caurulītei, neveidojot jonizāciju.

Lai būtu iespējams mērīt gamma starojumu, izmanto fotoefektu. Caurulīte tiek izgatavota ar samērā biezām metāla (vara) sieniņām, lai izraisītu gamma starojuma sadursmi ar metāla atomiem un izraisītu fotoefektu. Šajā procesā izsistajiem elektroniem ir samērā liela enerģija, tādēļ tie spēj jonizēt caurulītē esošo gāzi. Gamma starojums tiek mērīts pēc to izraisītajiem fotoelektroniem.

Ātros protonus, kuriem ir lādiņš un liela enerģija, saskaita tāpat kā elektronus. Lai saskaitītu neitronus, jārīkojas savādāk. Tā kā neitroniem nav elektriskā lādiņa un tie ļoti vāji jonizē gāzes, tad skaita neitronu izsistos protonus. Šajā gadījumā starp neitrona avotu un skaitītāja caurulīti novieto vielu, kas satur ūdeņradi, piemēram, parafīnu. Zināms, ka protona un neitrona masas ir apmēram vienādas, tādēļ, neitronam saduroties ar protonu, protons iegūst apmēram pusi no neitrona kinētiskās enerģijas. Šī enerģija ir pietiekama, lai iedarbinātu skaitītāja caurulīti.

Vilsona kamera

Vilsona kamera ir novecojis detektora veids daļiņu treku (atstāto pēdu) reģistrēšanai. Tās darbības princips pamatojas uz kondensācijas centru rašanos pārsātinātā tvaikā, caur to virzoties daļiņai. Mūsdienās Vilsona kameru vietā lieto pūslīšu kameras un dzirksteļu kameras.

Fotoemulsijas metode

Vecas kodolpētījumiem paredzētas fotoplates

Lai reģistrētu jonizējošās daļiņas, izmanto arī fotoemulsijas metodi. Lai to izdarītu, sagatavo fotoplati ar biezu emulsijas kārtiņu. Jonizējošais starojums, līdzīgi gaismas kvantiem, saduroties ar fotoemulsijas atomiem, tos ierosina. Ierosinātie atomi emulsijā izraisa fotoķīmiskas reakcijas, kas darbojas tāpat kā fotografēšanas procesos. Pēc attīstīšanas un fiksācijas emulsijas kārtiņā ir palikuši daļiņu treki. Ja emulsijas kārtiņu sagriež plānos gabaliņos, tad trekus var novērot mikroskopā.

Lai novērotu kodolreakcijas, emulsijas slānim pievieno tās vielas atomus, kurus kodolus grib pētīt. Apstarojot slāni ar starojumu (parasti ar neitroniem), kas izraisa kodolreakcijas, ar šo metodi ir iespējams novērot daļiņu sadursmēs radušos daļiņu treka garumus, kas raksturo daļiņas kinētisko enerģiju.

Lai novērotu iezīmētos atomus, izmanto fotoemulsijas metodi. Par iezīmētājiem atomiem uzskata elementa radioaktīvo izotopu atomus. Iezīmētos atomus izmanto dažādu dzīvības procesu izpētei, kuri notiek augos un dzīvniekos. Vielai, kuras molekulu gaitu dzīvajā organismā grib noskaidrot, piejauc šīs pašas vielas molekulas, kas satur radioaktīvos izotopus, piemēram, parastā oglekļa vietā radioaktīvo oglekļa izotopu ¹⁴₆C . Šīs molekulas organismā izplatās tāpat kā neradioaktīvās vielas, bet tās pakāpeniski sabrūk, izstarojot radioaktīvās starojuma daļiņas. Novietojot fotoplati virs dzīvnieka vai auga daļas, ir iespēja fiksēt radioaktīvās daļiņas.

Skatīt arī

• Jonizējošais starojums

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Daļiņu detektors.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)