Диэлектрические детекторы

    К ядерным эмульсиям функционально примыкают диэлектрические детекторы (стёкла, слюды, природные и синтетические кристаллы, органические полимеры).
    Заряженные частицы разрушают структуру твердого тела вдоль своих треков. Последующее химическое травление приводит к образованию конических ямок, т.к. поврежденные части материала реагируют с травящим агентом более интенсивно, чем неповрежденные. Эти конические ямки обычно имеют субмикронные размеры и могут наблюдаться с помощью оптического микроскопа. Их размер и форма дают информацию о заряде, энергии и направлении движения налетающего иона.
    Важное свойство диэлектрических детекторов − их пороговая чувствительность. Ионы с энергией меньшей пороговой T_min не формируют треки. Пороговая энергия для данного материала детектора зависит от заряда иона Z и его скорости β = v/c. Большинство материалов позволяет регистрировать треки заряженных частиц, если Z/β больше некоторого критического значения (Z/β)_min. Чем чувствительней детектор, тем меньше величина (Z/β)_min. Например, это позволяет при регистрации тяжелых ионов в первичных космических лучах,  выбрав для детектора материал с большим (Z/β)_min, избежать высокого фона от протонов и α-частиц.
     Область применения диэлектрических детекторов не ограничивается физикой ядра и частиц. Они применяются также в металлургии и археологии, медицине и биологии.

Рис. 1. Разрывы полимерных цепочек пролетающим ионом.

    Широко используются пластиковые диэлектрические детекторы, которые в отличие от кристаллических не требуют специальной подготовки, такой как шлифовка и полировка. Пластики также гораздо более чувствительны, чем кристаллы и стекла.
   Когда заряженая частица пересекает пластиковой трековый детектор, она повреждает полимерные цепочки в небольшой цилиндрической области ~10 нм в диаметре вокруг своей траектории, формируя латентный трек.
     Величина повреждений в пластиковом детекторе зависит от энергии, выделяемой внутри цилиндрической области T_REL (REL − Restricted Energy Loss), которая является функцией заряда Z и β = v/с пролетающего иона. Размер конусов травления (при фиксированном времени травления) является мерой энергетических потерь частиц. Если скорость частиц известна, то можно определить заряд ядер. Когда скорость иона β < 10^-2c, T_REL равна полной потере энергии иона в среде. T_REL можно вычислить по формуле Бете-Блоха.

,

где , − средний потенциал ионизации, ≈ 10Z эВ. Для 3·10^-4 ≤ β ≤ 0.1 потери энергии могут быть рассчитаны с помощью соотношения

dE/dx = Kβ.

    Латентный трек иона проявляется после травления. Геометрические характеристики образующихся в результате травления конических ямок зависят от энерговыделения в треке, что позволяет  определить энергию и заряд иона. Отклик детектора определяется величиной  относительной скорости травления
p = v_T/v_B, где v_T − скорость травления вдоль трека, а v_B − скорости травления неповрежденного материала.
    При наклонном влете ионизирующей частицы основание конуса имеет эллиптическую форму.
    Конус травления может проявиться только тогда, когда угол падения θ больше критического угла θ_c = sin^-1 (V_B/V_T), т.е. вертикальная составляющая скорости травления трека V_T должно быть больше скорости травления неповрежденного материала V_B. Для каждой среды и данных ионов существует угол θ_c = arcsin (V_B/V_T) такой,  что только частицы, падающие на поверхность детектора под углом θ > θ_c,
    Из измерений малой и большой осей эллипса можно определить относительную скорость травления  р и угол падения по отношению к поверхности детектора θ.

,
,

где A = a/2v_Bt, B = b/2v_Bt, t − время травления, a и b − большая и малая оси эллипса. Скорость травления v_B можно определить измеряя толщину пленки в различные моменты времени.

Рис. 3. Калибровка пластика CR39 для различных режимов травления.

    При калибровке используются различные ионы при различных энергиях. На результаты калибровки влияют температура травления и состав травителя. В зависимости от требований эксперимента подбирается режим травления, который в частности определяет пороговую чувствительность (Т_REL)_min или (Z/β)_min. Результатом энергетической калибровки является зависимость (р − 1) от удельных потерь T_REL. На рис. 3 показана калибровка пластика CR39 при различных режимах травления. При жестком режиме травления порог выше − (Т_REL)_min~200 МэВ·см²·г^-1 или (Z/β)_min~14, чем при мягком режиме − (Т_REL)_min~50 МэВ·см²·г^-1 или (Z/β)_min~7.

Рис. 4. Зависимость заряда иона от глубины конуса травления.

   При фиксированной энергии иона, отнесенной на один нуклон, (фиксированной скорости β) входной диаметр и глубина конуса травления зависят от Z иона. Входной диаметр и глубина конуса увеличиваются с увеличением заряда.  На рис. 4 показана зависимость заряда иона Z от глубины конуса травления. Совместное использование результатов измерений этих характеристик позволяет произвести калибровку для идентификации ионов по Z.

     Энергия ионов часто определяется с помощью стопок, содержащих большое число слоев.
     Пластиковые диэлектрические детекторы, в частности, используются на Большом адронном коллайдере в эксперименте MoEDAL для поиска магнитного монополя и других экзотических частиц.

Литература

• M.I. Al-Jarallah. Solid State Nuclear Track Detectors: Principles and Applications

• L. Patrizii and Z. Sahnoun. Nuclear track detectors in particle, astroparticle and nuclear physics

• Ji Young Lee and Jae Heung Jo. Study on the Tracks in a Nuclear Track Detector (CR39) for Detection of Laser-Induced Charged Particles article.pdf

• Mukhtar Ahmed Rana et al. Nuclear Track Detectors for Relativistic Nuclear Fragmentation Studies: Comparison with Other Competitive Techniques

• S. Dey et al. Calibration of a solid state nuclear track detector (SSNTD) with high detection
  threshold to search for rare events in cosmic rays

Последнее обновление 24.04.2014.