Типы детекторов в газовой хроматографии

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры.

При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.

Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные явления.

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные – в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии.

Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

Способы временной привязки. Быстрые дискриминаторы

Временная привязка (хронирование) служит для фиксации момента регистрации
события в детекторе. Различается два типа устройств, реализующих временную
привязку. Одни используют «медленные» спектрометрические сигналы. Это временные
одноканальные анализаторы. Другие, быстрые дискриминаторы,  используют сигналы
либо непосредственно от детекторов, либо от быстрых усилителей.
    И в тех, и в других устройствах используются следующие методы временной
привязки:

На точность временной привязки влияют следующие факторы: дрейф параметров
аппаратуры, шумы, амплитуда и форма импульсов, статистический разброс в ФЭУ. Что
касается дрейфа параметров, который в основном определяется температурным
дрейфом, то он может оказаться критическим фактором при длительных измерениях
или при работе с аппаратурой, не вышедшей на стационарный температурный режим.
Учитывая, что современная аппаратура прогревается достаточно быстро (обычно
достаточно 0.5-1 часа), медленный температурный дрейф, как правило, не
доставляет беспокойств.
    Другие факторы, влияющие на точность временной привязки, рассмотрим на
примере быстрых дискриминаторов, использующих различные методы хронирования.

Привязка по переднему фронту импульсаа
(Leading-Edge Timing)

Рис. 1. Входные и выходные импульсы в методе привязки по переднему
фронту.

Твердотельные трековые детекторы.

Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

Искровые камеры.

Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Взаимодействие частиц с веществом.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

Усилители

В соответствии с назначением, применяемые в эксперименте усилители можно
условно разделить на два основных типа: временные и спектрометрические или
линейные.

Временные (быстрые) усилители

Временные усилители служат для извлечения прецизионной временной
информации о регистрируемых событиях в наносекундном и субнаносекундном
диапазонах, а также для счета событий с высокой частотой следования. Временные
усилители должны хорошо передавать короткие фронты сигналов от предусилителей и
соответственно обладать широкой полосой пропускания (до 108-109 Гц). 
Однако, желательно, чтобы полоса пропускания усилителя не была избыточна, т.к. в
этом случае не улучшив временные характеристики, будет ухудшено отношение
сигнал/шум. Длительность импульсов  быстрых усилителей обычно меньше 20 нс.
Таким образом, возможен счет событий со средней частотой в несколько МГц всего с
~10% потерями на мертвое время. Коэффициент усиления временных усилителей обычно
не превышает 100-200. Во временных усилителях может быть предусмотрена
возможность формирования импульсов. Они обычно используются с ФЭУ и кремниевыми
детекторами заряженных частиц.  Для получения временной информации при работе с
германиевыми детекторами обычно используются быстрые усилители без формирования
импульсов. Соответственно длительность выходных импульсов в таких усилителях
определяется предшествующей электроникой и детектором.

Спектрометрические (линейные) усилители

Спектрометрические усилители используются при амплитудном анализе
сигналов. Одна из функций спектрометрических усилителей  — линейное увеличение
амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне
милливольт, до диапазона 0.1-10 В, в котором работают амплитудные анализаторы.
Коэффициенты усиления спектрометрических усилителей обычно бывают до нескольких
тысяч.  Кроме того, спектрометрические усилители должны иметь хорошую линейность
(< 0.2%). Для амплитудного анализа важно обеспечить хорошее отношение
сигнал/шум, так как оно определяет амплитудное, а стало быть, и энергетическое
разрешение спектрометра. Так как источники шума в детекторе и первых
усилительных каскадах имеют более широкую частотную полосу, чем полоса полезной
информации, отношение сигнал/шум может быть улучшено соответствующей
фильтрацией. Однако, как правило, оптимальное энергетическое разрешение требует
довольно длительных импульсов. Длительность выходных сигналов спектрометрических
усилителей находится в микросекундном диапазоне (~3-70 мкс). Однако при высоких
скоростях регистрации событий для минимизации наложений импульсов, они наоборот
должны быть короткими. Кроме того, нередко нужно сохранить и временную
информацию, а это связано с достаточно широкой полосой пропускания. Оптимальное
решение часто является результатом компромисса. Современные линейные усилители
позволяют работать при загрузках до ~7000 с-1 без ухудшения
разрешения и до ~90000 с-1 с небольшим его ухудшением.

Рис. 1. CR-RC фильтр

Простая дифференцирующая CR-цепочка является фильтром высоких частот. При
прохождении сигнала через дифференцирующую цепочку ослабляются его
низкочастотные составляющие. Интегрирующая RC-цепочка является фильтром низких
частот. При прохождении сигнала через интегрирующую цепочку ослабляются его
высокочастотные составляющие. (Отметим, что дифференцирование и интегрирование в
электронных цепях не эквивалентно соответствующим математическим операциям, хотя
и является их грубым приближением.) Дифференцирование и интегрирование сигналов
применяется в усилителях для улучшения отношения сигнал/шум. Обычно постоянные
времени дифференцирующих
d и
интегрирующих i
цепей  выбираются одинаковыми
d =
i =
. На рис. 1. показана форма
выходного сигнала после CR-RC фильтра.

Рис. 2. Зависимость вклада шумов от постоянной времени усилителя

Компоненты суммарного шума имеют различные спектральные распределения.
Для одних спектральная плотность растет с ростом частоты, для других, наоборот,
уменьшается, для третьих — постоянна. Минимальные шумы достигаются при
постоянной времени CR-RC фильтра
, когда вклады, зависящих от
частоты компонентов, равны (см. рис 2). Оптимальная постоянная времени зависит
от характеристик детектора, предусилителя и формирующих цепей усилителя. Для
кремниевых детекторов заряженных частиц оптимальная постоянная времени
0.5-1 мкс. Для германиевых и Si(Li) детекторов она заметно больше (6-20 мкс).
Понятно, что оптимальная для шумовых характеристик спектрометра постоянная
времени фильтра будет ограничивать его загрузочные характеристики. Улучшение
последних достигается ценой ухудшения разрешения.
    В таблице приведены сравнительные характеристики шумовых свойств различных
фильтров нормированные на отношение сигнал/шум для теоретически оптимального
фильтра, который имеет экспоненциальные передний и задний фронты и точечную
вершину. Аналоговым формированием оптимальный фильтр не реализуется.

Таблица 1. Относительные шумовые характеристики различных способов
формирования импульсов

Счетчики Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера —
самые распространенные детекторы ионизирующего
излучения.

В своей основе счетчик
Гейгера прост. Герметичный объем с двумя электродами
заполнен газовой смесью, состоящая в основном из неона и
аргона. Корпус может быть стеклянным, металлическим и
др. Обычно счетчики воспринимают излучение всей своей
поверхностью, но существуют и такие, у которых для этого
в баллоне предусмотрено специальное «окно». К электродам
прикладывают высокое напряжение U^ (рис. П4.1), которое
само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений. В
этом состоянии

счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой
среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и
электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей
частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом
поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой
среды, порождая все новые и новые электроны и ионы.
Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается
образованием в межэлектродном пространстве
электронно-ионного облака, резко увеличивающего его
проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд,
видимый в прозрачном баллоне  даже простым глазом.

Рис.
1. Включение счетчика Гейгера

Возвращение газовой
среды в ее исходное состояние в так называемых
галогеновых счетчиках  происходит за счет добавок.. В
действие вступают галогены (обычно хлор или бром), в
небольшом количестве содержащиеся в газовой среде,
которые способствуют интенсивной рекомбинации зарядов.
Но этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок
времени, необходимый для восстановления радиационной
чувствительности счетчика Гейгера и фактически
определяющий его быстродействие — «мертвое» время —
является важной его паспортной характеристикой.

Галогеновые
самогасящиеся детекторы характеризуются  низким
напряжением питания, удобными для регистрации
параметрами выходного сигнала и достаточно высоким
быстродействием

Рис.2.  Зависимость скорости счета oт напряжения питания в
счетчике Гейгера

В счетчик нейтронов
вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов
преобразуется в легко регистрируемые
—
частицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое,
рентгеновское,

g-излучение
— счетчики Гейгера воспринимают опосредованно — через
фотоэффект, Комптон-эффект, эффект рождения пар; в
каждом случае происходит преобразование
взаимодействующего с веществом катода излучения в поток
электронов.

Каждая фиксируемая
счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи
короткого импульса. Число импульсов, возникающих в
единицу времени, — скорость счета счетчика Гейгера —
зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на
его электродах. Типичный график зависимости скорости
счета от напряжения питания Uпит показан на рис. 2.
Здесь Uнс — напряжение начала счета; Uнг и Uвг — нижняя
и верхняя граница рабочего участка, так называемого
плато, на котором скорость счета почти не зависит от
напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр
обычно выбирают в середине этого участка. Ему
соответствует Nр — скорость счета в этом режиме.

Зависимость скорости
счета от уровня радиационного облучения счетчика —
важнейшая его характеристика. График этой зависимости
имеет почти линейный характер и поэтому нередко
радиационную чувствительность счетчика выражают через
имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность
следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню
радиации — мкР/с).

В тех случаях, когда
она не указана (нередких, к сожалению), судить о
радиационной чувствительности счетчика приходится по
другому его тоже очень важному параметру — собственному
фону. Так называют скорость счета, причиной которой
являются две составляющие: внешняя — естественный
радиационный фон, и внутренняя — излучение
радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика,
а также спонтанная электронная эмиссия его катода.
(«фон» в дозиметрии имеет почти тот же смысл, что и
«шум»

в радиоэлектронике; в
обоих случаях речь идет о принципиально неустранимых
воздействиях на аппаратуру.)

1 —
рабочее напряжение, В;

2 — плато — область
малой зависимости скорости счета от напряжения питания,
В;

3 — собственный фон
счетчика, имп/с, не более;

4 — радиационная
чувствительность счетчика, имп/мкР (* — по кобальту-60);

5 — амплитуда выходного
импульса, В, не менее;

6 — габариты, мм —
диаметр х длина (длина х ширина х высота);

7.1 — жесткое
—
и
-излучение;

7.2 — то же и мягкое
-излучение;

7.3 — то же и
-излучение;

7.4 —
-излучение.

(в счетчике, на все эти
виды излучения реагирующем), ничем не различаются. Сами
частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых
ими лавинах-близнецах.

В Таблице приведены
сведения о самогасящихся галогеновых счетчиках Гейгера
отечественного производства.Ниже на рисунке показаны
конструкции таких счетчиков.

Полупроводниковые детекторы

Газонаполненные детекторы имеют два недостатка. Во-первых, плотность газа
низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что не позволяет
эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых,
энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (30-40 эВ),
что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое
разрешение. Значительно более удобными в этом плане являются детекторы с
твёрдотельной рабочей средой. Наибольшее распространение получили
полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2.3 г/см3)
и германия (5.3 г/см3). В полупроводниковом детекторе определенным
образом создается чувствительная область, в которой нет свободных носителей
заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию,
соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне —
дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность
чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок,
формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается
напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных
частицей в объёме детектора.

Устройство кремниевого детекторв

Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка равна 3.62 эВ
при температуре T = 300 K, 3.72 эВ при T = 80 K в кремнии и 2.95 эВ германии при
T = 80 K. Это при использовании полупроводникового счётчика в качестве
спектрометра позволяет в несколько раз улучшить энергетическое разрешение по
сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как ионизационная камера и
пропорциональный счётчик.
    Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые детекторы и
детекторы из сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной области
кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с
энергией ~30 МэВ и -частиц
с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и
-частиц с энергиями
~40 МэВ и ~160 МэВ соответственно, более того, германиевые детекторы могут быть
изготовлены с гораздо более толстой чувствительной областью.
    Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые
детекторы всегда охлаждают до азотных температур.
    Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в
спектрометрах
-квантов.
В этом случае применяются специально выращенные кристаллы сверхчистого германия
объёмом до нескольких сот см3. Германий имеет довольно высокий
атомный номер Z = 32 и поэтому эффективное сечение взаимодействия  
-квантов
велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z5,
Комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z2). Чтобы добиться
наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время
эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77о К).
Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации
-квантов
достигает 0.1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов.
Временнoе разрешение лучших полупроводниковых детекторов 10-8-10-9 с.

Внешний вид детекторов

Микростриповые детекторы

Для очень точного определения
координат частиц используют полупроводниковые
микростриповые детекторы. Они представляют
собой пластины монокристалла кремния, на одну из
поверхностей которых наносятся тонкие электроды
(стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии
20 мкм, а другая
покрывается металлическим слоем. На электроды
подается напряжение несколько вольт.
Электронно-дырочные пары, образованные
пролетающей заряженной частицей в кристалле,
двигаются к ближайшим электродам и
регистрируются в виде импульсов тока.
Пространственное разрешение микростриповых
детекторов уступает только ядерным эмульсиям и
достигает 10 мкм. Временнoе разрешение – 10-8
с.

Рис. 1. Устройство кремниевого
микрострипового детектора

Сцинтилляционный детектор

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял
собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него
заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором
Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами
золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки
от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для
этих целей стали использовать также светодиоды.
    Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или
неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные
сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются
антрацен (C14H10), стильбен (C14H12),
нафталин (C10H8). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под
фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы
представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном
растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий
раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно
мала и регистрируемая частица возбуждает в основном   молекулы растворителя. В
дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. 
В качестве неорганических кристаллических сцинилляторов используются ZnS,
NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO) и др. В качестве
газовых и жидких сциниллятов используют  инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.
    Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни,
которые излучают в ультрафиолетовой области для согласования со спектральной
чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются
светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и
переизлучают видимый свет в области 400 нм.
    Световым выход — доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в
энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ
для частиц высокой энергии. У NaI световой выход  ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ.
Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом
антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы
пластиковых сцинтилляторов 50-60%.
    Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей,
поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра,
т. е. прибора, определяющего энергию частицы.
    С помощью сцинтилляционных счетчиков, присоединенных к амплитудным
анализаторам, можно изучать спектры электронов и
-лучей.
Несколько хуже обстоит дело с изучением спектров тяжелых заряженных частиц (-частицы
и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях
пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при
всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших
некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы
различна для различных фосфоров и для различных типов частиц.

Рис. 1. Сцинтиллятор и ФЭУ

Рис. 2. Устройство ФЭУ

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по
светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод.
ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод
и система последовательных динодов, находящихся под положительным
увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате
фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в
электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной
(ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду
электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число
электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона)
составляет 105-106, но может достигать и 109,
что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10-8-10-9 с.
    Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов
Е/Е обычно не лучше
нескольких процентов. Временнoе разрешение определяется главным образом
длительностью световой вспышки (временем высвечивания люминофора) и меняется в
пределах 10-6-10-9 с.
    Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой
эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с
веществом.

Трековые и координатные детекторы

называют группу детекторов, в которых при
прохождении заряженной частицы возникает визуально наблюдаемый след (трек) этой
частицы. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и
возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого
процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции,
частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы).
    В трековых детекторах след частицы визуально наблюдаем. В то же время есть
группа детекторов (многопроволочная
пропорциональная камера,
дрейфовая камера,
полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые другие), в
которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их
пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть
координатными.
    Микростриповые детекторы, а также прецизионные многослойные пропорциональные
камеры и дрейфовые камеры часто используют в качестве центральных (или
вершинных) детекторов, непосредственно окружающих мишень (или место
столкновения пучков в коллайдерах). Центральные детекторы играют важную роль в
современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти
100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в
точке их зарождения и определяют направление их вылета. Более габаритные
детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации этих
родившихся и вторичных частиц и определения их характеристик (координат,
импульсов, энергий и др.).

Возможно ли визуальное наблюдение промежуточных
бозонов W?

Таким образом, пробег промежуточного бозона до распада
слишком мал (примерно в 10 раз меньше диаметра ядра), чтобы его можно было
наблюдать в любом трековом приборе. Поэтому быстро распадающиеся частицы обычно
регистрируют, наблюдая их продукты распада.

Ядерные фотоэмульсии

Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим
методом столкнулся

А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность
урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в
конце сороковых годов прошлого века после создания

С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем (эта
работа была отмечена Нобелевской премией).
    Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и
взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3
мкм, но в отличие от последних имеют существенно бoльшую толщину — до нескольких
сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя
через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит
разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При
последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического
серебра размером до 1
мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След
частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не
превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от
прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

Искровой счетчик

Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном
счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме
свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). При этом амплитуда
электрического сигнала с такого счётчика (называемого искровым) может
достигать сотен вольт. После разряда счётчику требуется время 10-3-10-4
с для восстановления (очистки рабочего газового объёма от положительных ионов),
после чего он будет в состоянии зарегистрировать новую частицу. В простейшем
варианте искровой счётчик представляет собой два плоскопараллельных
металлических электрода, к которым приложена разность потенциалов несколько кВ.
Площадь электродов – десятки квадратных сантиметров. Пространство между
электродами обычно заполнено инертным газом. Зазор между электродами может
варьироваться в пределах 0.1-10 мм. Разрядная искра строго локализована. Она
возникает там, где появляются первичные электроны, и поэтому указывает место
попадания частицы в счётчик.

Многопроволочная пропорциональная камера

Рис. 1. Устройство МПК

Многопроволочная пропорциональная камера (МПК) представляет собой
систему многих тонких (10
мкм) параллельных проволочек, расположенных в одной плоскости и являющихся
анодами, которые находятся в газовом объёме между двумя плоскими параллельными
друг другу и аноду катодами (сплошными или проволочными). В типичном случае
анодные проволочки удалены друг от друга на 2 мм и от катодов на расстоянии
8 мм. Разность потенциалов между анодом и катодом несколько кВ. Такие параметры
МПК обеспечивают газовое усиление 104-105 и
пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объёме
газа. Таким образом, МПК это, по существу, система размноженных пропорциональных
счётчиков.
    При прохождении заряженной частицы через МПК образовавшиеся вдоль следа
частицы свободные электроны дают начало лавинам, приходящим на анодные
проволочки ближайшие к этим первичным электронам. Электроника регистрирует
сигнал с каждой проволочки. Таким образом, приходящие сигналы указывают
положение (координаты) частицы в МПК. Для того, чтобы получить трёхмерные
координаты частицы в большом объёме, используются системы из десятков МПК
площадью до 10 м2, располагающихся параллельно одна за другой, с
общим числом проволочек несколько десятков тысяч, причём проволочки двух
соседних МПК натянуты взаимно перпендикулярно. Типичное пространственное
разрешение современной МПК 0.05-0.3 мм. Временнoе разрешение несколько
наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры
10%. МПК применяют
главным образом в исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких
энергий. МПК были разработаны

Г. Чарпаком в ЦЕРНе в 1968 г., что было отмечено Нобелевской премией 1992 г.

Детекторные комплексы физики высоких энергий

Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц,
состоят, как правило, из нескольких структур, входящих в состав единого
регистрирующего комплекса. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с
определенными характеристиками. Отдельные структуры детектора расположены так,
чтобы различного типа частицы, последовательно проходя через них, оставляли
определённую информацию о прошедшей через них частице. На основе этой информации
затем восстанавливаются такие характеристики частицы как её тип, энергия,
импульс, характеристики распада.
    Принципы организации такого комплексного детектора иллюстрируются рис. 1.
Частицы рождаются в самой левой части рисунка в результате взаимодействия либо
сталкивающихся пучков коллайдера, либо одного пучка ускоренных частиц с
неподвижной мишенью. Рожденные частицы удаляются от точки своего появления,
последовательно проходя различные структуры детектора. Заряженные частицы, такие
как протоны, пионы и каоны, детектируются трековым детектором (он расположен
ближе всего к точке реакции) и далее — электромагнитным и адронным
калориметрами. Электроны детектируются трековым детектором и электромагнитным
калориметром. Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детектируются
в трековом детекторе. Фотоны детектируются электромагнитным калориметром, а
нейтроны идентифицируются по энергии, выделяемой в адронном калориметре.

Рис. 1. Принципы организации комплексного детектора в экспериментах
по физике высоких энергий

Так как мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора из всех
регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используют внешние участки
детектора – мюонный детектор.
    Многослойная структура детектора позволяет восстановить траекторию частицы и
определить точку её образования с точностью несколько микрон. Таким образом,
каждый тип частиц имеет свою собственную “подпись” в детекторе. Например, если
частица обнаруживается только в электромагнитном калориметре то, скорее всего,
это фотон. Мюон оставляет информацию во всех структурах детектора.
    Для примера на рис. 2 показан детектор ATLAS, который создается в настоящее
время для регистрации продуктов рр-столкновений коллайдера LHC. Область
соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector). Его диаметр
составляет 2 м, а длина 6.5 м. Он помещен в сверхпроводящий соленоид, который
обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Тл. В магнитном поле треки частиц
искривляются в зависимости от знака заряда частицы и ее импульса. Задача
детектора — определение точки соударения протонов и траекторий вторичных частиц,
которые образуются в результате соударения. Для этого применяются два типа
детектирующих устройств: кремниевые микрострипы (они заполняют самую центральную
часть внутреннего детектора и обеспечивают точность измерения координаты около
0.01 мм), и детектор переходного излучения (более удаленная часть внутреннего
детектора), состоящий из тонких газонаполненных дрейфовых трубок диаметром 4 мм,
между которыми находится вещество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы
частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно к плоскости детектора или
оси трубки.
    Чтобы выдержать радиационные нагрузки, кремниевые детекторы должны работать
при температуре 0° С. Поэтому эта часть трековой системы помещена в криостат.
Траектория каждой частицы большой энергии должна иметь 6 прецизионно измеренных
точек. Для этого в установке ATLAS используется 12 тысяч кремниевых детекторов.

Рис. 2. Общий вид детектора ATLAS в разрезе. Пучки протонов влетают
в детектор с диаметрально противоположных направлений и двигаются
вдоль его оси, сталкиваясь в центре.

Длина дрейфовых трубок детектора переходного излучения достигает 1.6 м.
Точность определения координаты частицы в них составляет около 0.15 мм, но зато
число точек измерения на один трек — 36. Кроме того, дрейфовые трубки
регистрируют переходное рентгеновское излучение и, таким образом, обеспечивают
идентификацию электронов. Всего в детекторе используется около 400 тысяч
дрейфовых трубок. Такое большое количество трубок необходимо для того, чтобы
обеспечить 4- геометрию
установки, и требованием эффективности восстановления траекторий частиц.

Рис. 3. Поперечное сечение детектора ATLAS: 1 — вакуумная труба, в
которой происходит ускорение частиц; 2 — трековый детектор; 3 —
соленоидальный магнит; 4 — электромагнитный калориметр; 5 — адронный
калориметр; 6 — мюонный детектор

Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров.
Калориметрия играет важную роль в установке ATLAS. Она обеспечивает прецизионное
измерение энергии электронов, фотонов, “струй” адронов, возникающих при
адронизации кварков и “недостающей” энергии, уносимой нейтрино или другими
нейтральными слабовзаимодействующими частицами, например, гипотетическими
суперсимметричными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из
нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации адронов в удаленной
части детектора и для регистрации электромагнитного излучения в более
центральной его области. Модули электромагнитного калориметра и торцевых
адронных калориметров в качестве вещества поглотителя используют жидкий аргон,
что обеспечивает необходимое быстродействие, высокое разрешение и высокую
радиационную стойкость детектора. Адронный калориметр в более приближенной к
центру части собран из железных пластин, прослоенных сцинтилляторами. Это более
дешевая и достаточно надежная конструкция по сравнению с жидкоаргонными
калориметрами.
    Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в которых поглощаются
все электроны, фотоны и адроны. Мюоны имеют высокую проникающую способность и в
калориметрах поглощаются очень мало. Поэтому практически все зарегистрированные
мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Основным типом детекторов
в мюонной системе являются дрейфовые трубки диаметром 3 см. Результаты
измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы),
“сшиваются” с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц.
    Установка ATLAS будет размещена под землей на глубине 100 м. Соударения
протонных пучков (банчей) будут происходить каждые 25 наносекунд, т. е. с
частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе светимости ускорителя 1033
см-2сек-1 при каждом столкновении пучков будет
происходить в среднем 2- 3 протонных соударения. При светимости 1034
см-2сек-1 при каждом столкновении пучков будет происходить
уже 25 протонных соударений.
    По мере увеличения энергии сталкивающихся пучков детектирование продуктов
столкновения становится все более сложной задачей.
    Детектор ATLAS будет выдавать огромный объём информации. LHC будет создавать
в центре детектора почти 109 протон-протонных столкновений в секунду
(как уже отмечалось, протонные банчи будут сталкиваться каждые 25 наносекунд).
Такому числу рр-столкновений отвечает объем информации, превышающий 40
миллилонов мегабайт. Однако лишь несколько событий, возникших в результате этого
огромного числа столкновений, будут представлять интерес для исследователей,
стремящихся к новым открытиям. Для того чтобы выбрать потенциально интересные
события (по оценкам их должно быть меньше 100 в секунду), будет использована
специальная многоуровневая компьютерная система. Выбранные события подвергнутся
особо тщательному off-line анализу.
    Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 106
гигабайт в год), будет делиться среди примерно 2000 физиков из 34 стран и
анализироваться ими. Вычислительные ресурсы, необходимые для такого анализа,
эквивалентны более чем 10 000 РС Pentium III с частотой 500 МГц. Для успешной
обработки данных с детектора ATLAS будут использованы самые последние достижения
компьютерных технологий и операционных систем.

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В конструкции этого детектора используется радиоактивный источник бета-частиц (электронов). Принцип действия детектора основан на измерении степени захвата электронов молекулами галогенсодержащих соединений. В качестве газа-носителя чаще всего используется азот, как газ, наиболее легко ионизируемый бета-частицами 63Ni. В результате первичной ионизации молекул азота, при дальнейших столкновениях формируется поток тепловых электронов и соответственно происходит возрастание тока. Элюируемые из хроматографической колонки молекулы галогенсодержащих соединений имеют высокое сродство к электронам. Захват ими тепловых электронов приводит к ослаблению тока в камере, которое затем регистрируется амперметром.

Детектор ЭЗД широко используется в экологическом контроле для определения содержания галогенорганических соединений и пестицидов.

Детектор на основе электролитической проводимости ЭПД (ELCD)

Данный тип детектора идеален для решения экологических задач. Он позволяет получить более чистый и линейный отклик по сравнению с детектором ЭЗД и также используется для анализа пестицидов. В качестве газа-носителя используется гелий, в качестве вспомогательных газов используются воздух и водород. Необходимо отметить, что устройство весьма требовательно к обслуживанию и поэтому не так широко распространено, как ЭЗД.

Элюируемые галогенсодержащие соединения попадают в высокотемпературный микрореактор, в котором ионизируются и далее переносятся в ячейку детектора, наполненную жидким деионизованным растворителем. В результате, проводимость внутри ячейки возрастает, что и служит сигналом для обработки.

На рынке оборудования появились также варианты детекторов на основе электролитической проводимости сухого типа (DELCD). Они более удобны в эксплуатации и обслуживании.

Азотно-фосфорный детектор АФД (NPD)

АФД используется для анализа азот- и фосфорсодержащих соединений. Так же, как для детектора ПИД для его работы требуется подача смеси воздух-водород для сжигания элюируемого соединения. Сжигаемые в пламени азот и фосфорсодержащие соединения реагируют с солями щелочного металла (K или Rb), нанесенного на керамический элемент (шарик), в результате чего образуются ионы, которые затем детектируются. В качестве газа-носителя используется гелий.

Гелиевый ионизационный детектор ГИД (HID)

Детектор ГИД обеспечивает обнаружение ультранизких концентраций газов. В основе работы данного детектора лежит ионизация газов. Принцип действия схож с принципом ЭЗД. Он также содержит источник бета-частиц и электроды, к которым прикладывается разность потенциалов, но, в отличие от ЭЗД, расположены они ближе друг к другу. В данной конфигурации общей энергии достаточно для перевода атомов газа-носителя He в возбужденное состояние. Эти возбужденные атомы вызывают вторичную ионизацию молекул газов, элюируемых из колонки. Увеличение проводимости также регистрируется амперметром.

Применяется ГИД при выполнении таких задач, как измерение содержания газов в трансформаторных маслах, продуктов выделения дорожных покрытий и других подобных определений. Для работы детектора требуется подача ультрачистого гелия.

Пламенно-фотометрический детектор ПФД (FPD)

Данный тип детектора используется для определения содержания компонентов, в состав которых входит сера или фосфор. Принцип его работы основан на использовании хемилюминесцентных реакций этих компонентов в пламени водород/воздух.

Детектор ПФД конструктивно представляет собой сочетание ячейки ДИП с фотометрической схемой.

Сера- и фосфор-содержащие соединения в пламени ПФД переводятся в радикалы S2* и HPO* соответственно. Этот процесс сопровождается эмиссией волн с максимумами интенсивности при 394 нм для серы и 526 нм для фосфора. После прохождения фотоумножителя увеличенный ток регистрируется.

ПФД отлично подходят для анализа низких концентраций сера- и фосфор-содержащих соединений даже тогда, когда в анализируемых смесях в высоких концентрациях присутствуют другие соединения, такие как углеводороды и др.

Фотоионизационный детектор ФИД (PID)

Фотоионизационный детектор — самый эффективный и недорогой тип детектора для газового хроматографа. Он предназначен для измерения летучих органических соединений и газов в концентрации от уровней ppb до 10000 ppm. Ионизация элюируемых соединений происходит за счет УФ облучения. Энергии фотонов от УФ-лампы достаточно для ионизации регистрируемых соединений,  но недостаточно для ионизации   газа-носителя. Ток фотоионизации пропорционален концентрации вещества. Детектор PID вырабатывает аналитический сигнал в режиме реального времени и способен вести непрерывный контроль содержания определяемого компонента.

Детектор каталитического сжигания ДКС, ДТХ (CCD)

Это оригинальная и более дешевая альтернатива детектору ПИД для определения горючих газов, в особенности водорода и кислорода в сложных по составу веществах различного происхождения. Принцип работы этого детектора основан на измерении теплового эффекта при каталитическом сжигании образца. Детекторы каталитического сжигания применяются в области экологии, нефтехимии, медицине, биологии. Типичный предел чувствительности для детектора CCD составляет приблизительно 500 ppm, при использовании в качестве газа-носителя гелия. Современные модели детекторов каталитического сжигания могут работать при температуре <200 °C. В качестве газа-носителя в них может использоваться воздух, что дает возможность использовать хроматографы с таким типом детекторов в полевых условиях. Российский производитель хроматографического оборудования СКБ «Хроматэк» производит такие детекторы под названием «детектор термохимический» (ДТХ). По кислороду и водороду чувствительность данного детектора на порядок превышает чувствительность ДТП.

Детектор импульсного разряда ДИР (DID)

В конструкции этого детектора используется электрический разряд высокого напряжения, в котором образуются ионы. Ионы дают электрический ток, который является аналитическим сигналом датчика. Данный детектор можно рассматривать как усовершенствованный Гелиевый ионизационный детектор (ГИД), в котором не используется радиоактивный источник.

ДИР – это универсальный высокочувствительный детектор для определения следовых количеств, как органических, так и неорганических соединений.­ Он отлично подходит, например, для обнаружения в Ar следующих примесей: CO, CH2, C+, N2 и O2 на уровне ppm. Детектор импульсного разряда относится к неразрушающим типам детекторов. Детекторы неразрушающего типа могут устанавливаться пред детекторами других типов в конфигурациях хроматографов с двумя и более детекторами.

Однако этот тип детекторов в традиционном исполнении является довольно сложным в эксплуатации и не всегда дает стабильные результаты.

Самой современной модификацией детектора импульсного разряда является ионизационный детектор барьерного разряда от компании Shimadzu (Barrier Discharge Ionization Detector, BID). Усовершенствования, выполненные и запатентованные этим мировым производителем, позволили увеличить стабильность и надежность детектора импульсного разряда и одновременно упростили процесс его эксплуатации.

На нашем сайте, в категории «Газовые хроматографы» представлены модели с различными типами детекторов.

Одноканальные анализаторы

Одноканальный анализатор или (медленный) дифференциальный дискриминатор
это устройство, которое анализирует амплитуду входного сигнала и, если она
находится в установленных пределах (между нижним и верхним уровнями
дискриминации), генерирует стандартный логический импульс (рис. 1). Нижний (LLD)
и верхний (ULD) уровни дискриминации могут устанавливаться независимо. При
установке ULD на максимум одноканальный анализатор работает в интегральном
режиме. В одноканальных анализаторах также обычно есть режим, когда
устанавливается нижний уровень дискриминации и ширина окна
E.
Таким образом ULD = LLD +
E.
    Как видно из рис. 1, время появления выходного импульса в таких
одноканальных анализаторах зависит от амплитуды и формы входного импульса. Они в
основном используются для счета событий. Одноканальные анализаторы
устанавливаются в «медленных» спектрометрических цепях. Входные импульсы они
обычно получают от
спектрометрических усилителей и от

Большими возможностями обладают одноканальные анализаторы с временной
привязкой или временные одноканальные анализаторы
(Timing Single Channel Analyzers — TSCA). В них выходные сигналы привязаны по
времени к моменту появления входных импульсов. Существует несколько способов
временной привязки (к максимуму импульса, по переднему фронту импульса, по нулю
биполярного импульса, привязка со следящим порогом). Они рассмотрены в разделе «Способы
временной привязки». На рис. 2, 3 и 4 показаны входные и выходные импульсы
временных одноканальных анализаторов, в которых реализованы различные способы
временной привязки.
    Временные одноканальные анализаторы используются не только для амплитудного,
но и временного анализа. Их сигналы подаются на схемы «медленных» 
совпадений/антисовпадений, на время-амплитудные конверторы, линейные ворота.
    Точность временной привязки во временных одноканальных анализаторах зависит
от применяемого способа привязки и особенностей входного потока сигналов
(динамического диапазона, изменения формы импульсов) и варьируется от единиц
наносекунд до ~100 нс. Для временного согласования временные анализаторы обычно
имеют встроенную регулируемую задержку выходных импульсов до ~10 мкс.

Рис. 4. Входные и выходные импульсы временного одноканального
анализатора с
временной привязкой к определенной доле амплитуды на заднем фронте
входного импульса.

Ионизационные приборы.

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq/t,

где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk,

где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n-переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n-переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n-переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.