Диэлектрический детектор

Диэлектри́ческий дете́ктор — трековый детектор на основе диэлектрического твёрдого образца.

В диэлектрическом детекторе регистрируются следы попавших в образец заряженных частиц.

Физические основы

Заряженные частицы, попадая в диэлектрик, вызывают появление в нём радиационных дефектов. Это проявляется в появлении нарушений структуры диэлектрика при торможении тяжёлых ионов в узком канале, соответствующем траектории движения частицы в диэлектрике (или полупроводнике). Диаметр трека составляет величину в пределах от $1-5\cdot 10^{-3}$ мкм до $1-5\cdot 10^{-2}$ мкм. Иногда следы тяжёлых частиц в диэлектрическом детекторе проявляют себя в виде лунок диаметром от десятков до сотен мкм. Нарушение структуры диэлектрика, треки и лунки фиксируются с помощью методов электронной микроскопии. Выявление треков часто производится с помощью селективного послойного травления поверхности диэлектрического образца кислотами, щелочами или окислителями, поскольку скорость травления вдоль трека выше, чем той части диэлектрика, которая не подверглась воздействию заряженных частиц.

Диэлектрические детекторы фиксируют заряженные частицы, обладающие энергиями от $10^{-3}$ до $10^{4}$ МэВ/нуклон.

Физический механизм образования дефектов в диэлектрике под воздействием тяжёлых и/или частиц с высокой энергией состоит в ионизации материала диэлектрика, приводящей к возникновению электронов и ионов, деформирующих кристаллическую решётку. Возникшие в результате ионизации ионы начинают взаимодействовать с ионами кристаллической структуры, и в результате электростатического отталкивания она деформируется.

Появление протяжённых дефектов и треков имеет пороговый характер, параметры которого зависят от свойств диэлектрического материала (подвижности ионов, вакансий, энергии частиц, попадающих в диэлектрик). В некоторых диэлектриках, например, полимерах, возникновение вторичных электронов приводит к разрывам химических связей, образование радикалов и молекул с достаточно продолжительным временем жизни (до нескольких суток). Образовавшиеся молекулы всегда имеют меньшую молекулярную массу, чем молекулы вещества-матрицы. Изменение порога чувствительности добиваются термическим отжигом при температурах 200—600 °С.

Характерным параметром диэлектрического детектора является его энергетическое разрешение $R_{E}$ (порядка 50-60 кэВ) и пространственное разрешение $R_{S}$ (порядка 5-10 мкм) при энергии падающих α-частиц порядка 6 МэВ.

Диэлектрические детекторы не чувствительны к рентгеновскому, γ- и β-излучениям, малым частицам с высокой энергией.

Материалы для детекторов

В качестве материалов для изготовления диэлектрических детекторов используются силикатные и фосфатные стёкла, слюды (мусковит и фторфлогопит), лавсан, поликарбонат, нитрат и ацетат целлюлозы. Одним из наиболее чувствительных материалов считается диэтиленгликоль — бисаллилкарбонат (с его помощью регистрируют α-частицы с энергией до 7 МэВ). Применяют также природные и синтетические кристаллы. Более тяжёлые частицы регистрируют с помощью диэлектрических детекторов из оливина, топаза, торина, магнийстронцевого стекла.

Применение

Диэлектрические детекторы применяются для регистрации тяжёлых частиц, работают при низких и высоких температурах, в вакууме, агрессивных средах, при высоких давлениях, ударных нагрузках, в условиях космоса. При наличии покрытия из $^{235}U$, $^{238}U$ диэлектрические детекторы применяются для регистрации тепловых и быстрых нейтронов (по осколкам деления). Избирательность (селективность) диэлектрических детекторов изменяют легированием элементами от лития (Li) до урана (U).

Диэлектрические детекторы применяются в дозиметрии, радиографии, металловедении, ядерной физике (при исследовании ядер), с их помощью обнаружены трансурановые элементы от А-103 до Ф=107, открыты явление запаздывающего деления ядер из изомерных состояний, деление ядер на три осколка, а в космических лучах обнаружены ядра тяжелее ядра железа (Fe), при контроле термоядерной плазмы.

Литература

• Флёров Г. H., Берзина И. Г. Радиография минералов, горных пород и руд. — Москва : Атомиздат, 1979.
• Гангрский Ю. П, Mарков Б. Н., Перелыгин В. П. Регистрация и спектрометрия осколков деления. — Москва : Энергоатомиздат, 1981.
• Флейшер P. Л., Прайс П. Б., Уокер Р. M. Треки заряженных частиц в твёрдых телах. Принципы и приложения. — Москва : Энергоатомиздат, 1981.

Ссылки

• Диэлектрический детектор
• Диэлектрические детекторы

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Диэлектрический детектор», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Диэлектрический_детектор» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».