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 Tmin 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 TREL (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, TREL равна полной потере энергии иона в среде. TREL 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.


Рис. 2. Схема  травления треков: а) заряженная частица, пересекая детектор, создает на своем пути "латентный трек", б) в результате травления на каждой стороне формируются конусы травления, так как скорость травления VT вдоль латентного трека больше скорости травления неповрежденного материала VB, с) после длительного травления конусы травления соединяются.

    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 = vT/vB, где vT − скорость травления вдоль трека, а vB − 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 θc = sin-1 (VB/VT), т.е. вертикальная составляющая скорости травления трека VT должно быть больше скорости травления неповрежденного материала VB. Для каждой среды и данных ионов существует угол θc = arcsin (VB/VT) такой,  что только частицы, падающие на поверхность детектора под углом θ > θc,
    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/2vBt, B = b/2vBt, t − время травления, a и b − большая и малая оси эллипса. Скорость травления vB 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 (ТREL)min или (Z/β)min. Результатом энергетической калибровки является зависимость (р − 1) от удельных потерь TREL. На рис. 3 показана калибровка пластика CR39 при различных режимах травления. При жестком режиме травления порог выше − (ТREL)min~200 МэВ·см2·г-1 или (Z/β)min~14, чем при мягком режиме − (ТREL)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

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru

Последнее обновление 24.04.2014.