Az ionizáló
sugárzások detektálására alkalmas eszközök
Az ionizáló sugárzások detektálásának
alapja a részecskék és a detektor anyagának
kölcsönhatása, mely legtöbbszõr elektromágneses
kölcsönhatás. Semleges részecskéket közvetlenül
nem lehet detektálni, csak azon töltéssel rendelkezõ
részecskéken keresztül, amelyeket létrehoznak.
Az egyszerûbb detektorok feladata, hogy jelezzék a
részecskék jelenlétét adott helyen és
adott idõben. Bonyolultabb detektorok segítségével
meghatározható a megfigyelt részecske töltése,
tömege, kinetikus energiája és impulzusa is.
Gáztöltésû
számlálók
Ionizációs
kamra
Az ionizációs kamrán áthaladó töltött
részecskék a gézrészecskékkel ütközve
ionizálják a gáz atomjait (primer ionizáció).
Ha az elektródákra feszültséget kapcsolunk az
elektronok az anódhoz, míg a pozitív ionok a katódhengerhez
vándorolnak. Ionizációs kamrákat fõleg
reaktorokban doziméterként
és kozmikus sugárzási mérésekben használnak.
| Ha megvizsgáljuk az állandó részecskefluxussal
besugárzott kamrában keltett áramerõsséget
az elektródákra kapcsolt feszültség függvényében
az ábrán látható görbét kapjuk. |
|
A: Ha a feszültség
nem elég nagy, a töltéshordozók lassan mozognak,
így nagy a rekombináció valószínûsége,
nem mindegyik jut el az elektródákig.
B: Az áram
független a feszültségtõl, a keletkezett ionpárok
gyakorlatilag mind eljutnak az elektródákra.
Proporcionális
számlálók
C: Tovább
növelve a feszültséget az ionizáció során
keletkezett elektronok akkora energiára tesznek szert, hogy a gáz
atomjaival ütközve ionizálni képesek azokat. Az
így keletkezett ionpárok elektronjai is felgyorsulnak, és
ismét ionizálnak (szekunder ionizáció), elektronlavina
alakul ki. A kialakuló lavina arányos a primer elektronok
számával. Az ebben a tartományban mûködõ
eszközök a proporcionális számlálók.
A proporcionális számlálóban
kialakuló elektromos tér inhomogén, az anódszál
közelében nagyobb.
A lavinaképzõdés nem a csõ
egész térfogatában, csak az anódszálhoz
közel tud megindulni.
A proporcionális számlálók
egyik legfontosabb felhasználása a neutronfluxus mérése.
Ha a számlálóban lévõ gáz BF3,
a lassú neutronok nagy valószínûséggel
váltják ki a következõ reakciót:
|
|
Proporcionális
kamra
A proporcionális kamrában a katódok
nagyméretû síklapok, az anódok a katódsíkokkal
és egymással is párhuzamos fémszálak.
Ezek a szálak egymástól független proporcionális
számlálóként mûködnek, bár
az egyes számlálók gáztere azonos. Ha az különbözõ
síkok közti szálakat egymásra merõlegesen
helyezzük el, mm nagyságrendû pontossággal megkapjuk
a részecske áthaladásának
helyét.
Geiger-Müller-számláló
(GM-csõ)
E: Tovább
növelve a feszültséget eljuthatunk egy olyan értékre
(Geiger-küszöb), amelynél az egy elektron által
elindított kisülés önfenntartóvá
válik. Ekkor az anódra jutó elektronok száma
csak a csõre kapcsolt feszültségtõl és
a csõ adataitól függ, független az áthaladó
részecske energiájától.
Ebben az üzemmódban nagyon gyenge ionizációt
(akár egyetlen ionpárt) is ki lehet mutatni.
A G-M tartományban a primer ionizáció során
keletkezett elektronok (az ábrán pirossal
jelölve) az elektromos tér hatására akkora
energiára tehetnek szert, amely elegendõ a gázatomok
ionizálásához, ionizációs lavina alakul
ki, mely ionpárokat és gerjesztett atomokat eredményez.
Ezek a gerjesztett atomok (zölddel jelölve)
fotonok kibocsátásával kerülnek újra
alapállapotba, így az ionlavinát fotonlavina követi.
Ezek a fotonok fotoeffektus révén a gázatomokból
és a katódból újabb elektronokat keltenek melyek
az anód közelében újabb lavinát indíthatnak
el, s így a lavina a szál egész hosszára
kiterjed.
 |
 |
 |
| Primer ionizáció |
Ion és fotonlavina |
Szekunder lavinák |
Az anód mentén ionfelhõ alakul ki, melybõl
az elektronok nagyobb mozgékonyságuk miatt hamarabb jutnak
el az anódra mint az ionok a katódra. Így az anódszál
körül pozitív ionfelhõ (az
ábrán kék szinnel jelölve)
marad, mely megakadályozza az újabb lavina kialakulását.
A pozitív ionokból a katódon való semlegesítõdésekor
keletkezõ atomok gerjesztett állapotban vannak, s ez ismét
fotonok kibocsátását eredményezi.
 |
 |
Pozitív töltésfelhõ az
anódszál közelében |
Lavina kialakulása
ionizáló részecske
beérkezése nélkül |
Ezek a fotonok újra elektronokat váltanak ki és újabb
lavina tud megindulni, anélkül, hogy újabb részecske
érkezett volna a detektorba. A lavina megismétlõdésének
megakadályozása a kioltás. Kioltás vagy az
anódszálra kapcsolt nagy ellenállással, vagy
minden regisztrált impulzus után a feszültség
rövid ideig tartó csökkentésével lehetséges,
úgy, hogy a csõ feszültsége a Geiger-tartomány
alá essen. Az elsõ esetben az impulzus nagyon hosszú
lesz, a másodikban viszont a csõ a pozitív ionok begyûjtése
alatt kikapcsolt állapotban van. Az ilyen kioltást alkalmazó
berendezések a nem önkioltó
számlálók. Ezek töltése egy
vagy kétatomos gáz (argon, hidrogén).
Az önkioltó számlálókban
a töltõgáz többatomos gõzöket ( etilalkohol,
éter) vagy halogéngõzt (bróm, klór)
is tartalmaz. Ezekben a számlálócsövekben a primer
elektronok ugyanúgy ionlavinát indítanak el, mint
a nem önkioltó csövekben. A gerjesztett atomok alapállapotba
jutásával fotonlavina alakul ki, de a keletkezõ fotonok
nem tudnak eljutni a katódra, mert még a gázkeverékben
elnyelõdnek.
|
A fotonok nem jutnak el
az katódra, a gázkeverékben
elnyelõdnek |
Az anódszál közelében ezekben a számlálócsövekben
is kialakul a pozitív töltésfelhõ. A pozitív
gázionok a katód felé haladva ütköznek az
alkohol vagy halogénmolekulákkal és mert ezek ionizációs
energiája kisebb mint a gázé a gázionok semlegesítõdnek
és az alkohol, halogénmolekulák ionizálódnak.
A katódra csak ezek az ionok érkeznek, és a katódon
fotonkibocsátás nélkül semlegesítõdnek,
ezért a lavina nem tud megismétlõdni.
|
A katódra csak az alkohol
és halogénionok jutnak el |
Amíg a pozitív ionfelhõ el nem távozik az anódszál
közelébõl a csõ érzéketlen, ez
eredményezi a mûszer holtidejét.
F: Elérve
GM tartomány felsõ határát a gázkisülés
ionizáló részecske bejutása nélkül
is fennmarad.
Szcintillációs
számlálók
A sugárzás bizonyos kristályokban fényvillanásokat
hoz létre. Az 1930-as évekig ez az eszköz volt az egyetlen
sugárzás-detektor. Méréskor a felvillanásokat
számolták meg. Ez az eljárás rendkívül
fárasztó és szubjektív volt. Ma már
a vizuális megfigyelések helyett fotoelektron-sokszorozót
alkalmaznak. Ez olyan szerkezet, amely a fényfelvillanásokat
elektromos impulzussá alakítja át.
A szcintilláló anyagokban a számlálandó
részecskék, illetve gamma-kvantumok energiájának
egy része fényenergiává alakul át. Az
energiaátadás során elõször a szcintillátor
atomjai gerjesztett állapotba kerülnek. Az atomok a gerjesztett
állapotból fotonok (fluoreszcenciafény) kibocsátásával
jutnak újra alapállapotba. A kijövõ fényjeleket
a fotoelektron-sokszorozó alakítja át elektromos jelekké.
A szcintillátorok anyaga lehet: szervetlen kristály (ZnS,
NaI, LiI, CsI), szerves egykristály
(naftalin), szcintilláló oldat (toluol).
A fotokatód fényérzékeny, a rá
érkezõ fotonok elektronokat keltenek. Az elektronok áramát
a dinódák felerõsítik, ez a felerõsített
jel jut el az anódra.
A
félvezetõ detektorok
A félvezetõ detektorok elvben ugyanúgy mûködnek,
mint az ionizációs kamrák, azaz egy töltött
részecske hatására a félvezetõben töltéshordozók
szabadulnak fel, melyek az elektromos tér hatására
az elektródákhoz áramlanak, és ott feszültségimpulzust
keltenek. A félvezetõk nagy elõnye, hogy egy elektron
szabaddá válásához a gáztöltésû
számlálóban 30 eV,
míg a félvezetõkben átlagosan 3,6 eV szükséges.
Így azonos részecskék esetén a szabaddá
váló töltéshordozók száma a félvezetõ
számlálóban lényegesen nagyobb, mint más
számlálótípusoknál. Mivel a töltött
részecskék hatótávolsága kicsi, kisméretû
számlálókban nagy energiákat is ki lehet mutatni,
miközben a részecskék helye a detektor méreteinél
fogva jól definiált. A félvezetõ detektorok
anyaga legtöbbszõr germánium vagy szilícium.
A félvezetõ detektorok mûködését
a sávmodell alapján lehet megmagyarázni. A sávmodell
szerint az elektronok csak bizonyos energiasávokban tartózkodhatnak,
míg a közbensõ energiákat az elektron nem veheti
fel. A legfelsõ betöltött sáv a vegyérték
(valencia) sáv, a legalsó üres energiasáv a vezetési
sáv. A kettõ között az úgynevezett tiltott
sáv húzódik.
| Félvezetõknél gerjesztés nélküli
állapotban a vegyérték sáv teljesen betöltött
és a vezetési sáv teljesen üres. Hõmozgás,
fény, radioaktív sugárzás vagy egyéb
energiát közlõ hatásra a vegyértéksáv
egyes elektronjai átkerülhetnek a vezetési sávba,
és így részt vehetnek a vezetésben. A vegyértéksávban
az elektron helyén keletkezett elektronhiány "lyuk" is részt
tud venni a vezetésben, mert a lyukba a szomszédos atomból
kis energia hatására át tud kerülni |
|
egy elektron. A lyuk elmozdulása az elektronéval ellentétes
irányú, így pozitív töltésként
is felfogható.
Részecskenyom
detektorok
A gyors töltött részecskék az anyagban pályájuk
mentén ionokból és elektronokból álló
nyomot hagynak. A részecskenyom detektorokban az ilyen mikroszkopikusan
finom nyomokat alkalmas eljárással láthatóvá
lehet tenni.
Ködkamra
Expanziós
ködkamra (Wilson-kamra): Ha egy gáz
és gõz keverékkel töltött edényben
túltelítettséget hozunk létre a gõz
kicsapódik a gázionokra, majd a kicsapódott ködcseppek
tovább növekednek, és láthatóvá
válnak. Ha a kamrában töltött részecske
halad át, a pályája mentén létrejött
ionokon indul meg a ködképzõdés.
A ködkamrában a levegõt környezete
hõmérsékletén alkalmas folyadék gõzével
telítik. Méréskor a levegõt egy dugattyú
segítségével hírtelen adiabatikusan kitágítják,
minek hatására az lehûl.
Az áthaladó részecske pályája
mentén kialakuló ködcseppeket fényképeken
rögzítik.
Wilson-kamra felvétele
|
|
| Diffúziós
ködkamra: A
nyomok itt is gõz és gázkeveréken alakulnak
ki. A túltelített állapot eléréséhez
a kamrában nagy hõmérsékletkülönbséget
tartanak fenn. A párologtatás a felsõ meleg zónában
történik. A meleg alkohol gõz (etil-alkohol, metil-alkohol)
lefelé, a hideg (szárazjéggel hûtött) térrészbe
áramlik és a kamra érzékeny tartományába
jut (1-2 cm), ahol a részecskenyomon kicsapódik. A kamrában
olyan zóna alakul ki, amely a részecskenyomok jelzésére
mindig készen áll. |
|
Magemulzió
A magemulzió zselatinban oldott kristályos ezüst-bromid
vagy ezüst-jodid. Az emulzión áthaladó töltött
részecskék ionizációs hatásuk révén
elektronokat tesznek szabaddá a kristályokban. A szabaddá
vált elektronok a kristály szélére áramlanak
és ott az ezüst-jodid (ezüst-bromid) által befogódnak,
mely így negatív töltésûvé válik.
Az ezüst-jodid (ezüst-bromid) kristályban jelenlevõ
pozitív ezüstionok ezeken a negatív fényérzékeny
központokon semlegesítõdnek, és fémes
ezüst válik ki. Az elõhíváskor a részecskepálya
mentén ezüstatomokból álló fekete nyom
látható. A magemulzió hátránya, hogy
nem ad számot a nyom keletkezésének idõpontjáról.
Buborékkamra
A buborékkamra olyan folyadékkal van töltve, amelyet
normál nyomáson könnyû a forráspont fölé
hevíteni. Amíg a kamra nem üzemel, a folyadék
túlnyomás alatt van, így nem jöhet forrásba.
Ha egy részecskenyomot kell regisztrálni a nyomást
rövid idõre hírtelen lecsökkentik. A forrás
a részecskenyom mentén keletkezett ionoknál indul
meg. A részecske áthaladása után a nyomást
ismét növelik, hogy az egész térfogatra kiterjedõ
forrást megakadályozzák. A részecskenyom mentén
keletkezett buborékokat lefényképezik. A buborékkamra
elõnye, hogy nagyszámú eseményt detektál
és megfelelõ mágneses tér alkalmazásával
a részecskék impulzusa is meghatározható.
|
|
|
Buborékkamra felvétele
|
|
Szikrakamra
| A szikrakamrák olyan elektromos detektorok,
melyek segítségével a részecske pályája
és áthaladásának ideje egyidejûleg mérhetõ.
Ha két párhuzamos síklap közé elég
nagy feszültséget kapcsolunk, a két lap közt szikra
üt át. Ha a spontán szikrázáshoz szükségesnél
valamivel kisebb feszültséget alkalmazunk és részecske
halad át a lemezek között, a részecske után
visszamaradt ionizált nyom kedvezõ helyzetet teremt a szikra
kialakulásához. A szikrák a nyom mentén fognak
átütni. Az áthaladás helyét vagy fényképkészítéssel,
vagy elektronikus úton lehet megállapítani. |
|
Szilárdtest-nyomdetektorok
Szilárd szigetelõkben (egykristályok, üvegszerû
anyagok, szerves polimerek) a nehéz töltött részecskék
áthaladása maradandó változásokat hoz
létre. Ezek az elváltozások alkalmas módszerekkel
(kémiai marás) mikroszkóppal láthatóvá
tehetõk.
