Osakeste detektorid (kiirgusdetektorid): põhimõte, tüübid ja kasutusalad

Osakeste detektorid (kiirgusdetektorid) — põhimõte, tüübid ja kasutusalad: osakestefüüsika, tuumatehnika, kalorimeetria ja praktilised rakendused ühelt selgelt loetavalt lehelt.

Osakkedetektor, tuntud ka kui kiirgusdetektor, on seade, mida kasutatakse kõrge energiaga osakeste avastamiseks, jälgimiseks ja/või tuvastamiseks. Need osakesed võivad tekkida tuumalõhustumise, kosmilise kiirguse või osakeste kiirendis toimuvate reaktsioonide tagajärjel. Osakkedetektorid on kasutusel osakestefüüsikas, tuumafüüsikas ja tuumatehnikas. Kaasaegseid detektoreid kasutatakse ka kalorimeetrina, et mõõta kiirguse energiat. Nad võivad mõõta ka muid asju, näiteks osakeste impulssi, spinni või laengut.

Põhimõte

Osakeste tuvastamine põhineb nende ja materjali vahelisel vastastikmõjul. Kui kiirgusosake läbib detektori materjali, võib see põhjustada ionisatsiooni, ekscitatsiooni, skintillatsiooni (valgusväljalöömine) või tekitada Cherenkovi kiirgust. Need efektid konverteeritakse elektrooniliseks signaaliks — näiteks valgus kergitakse fotomultipliatoriga või SiPM-iga elektriliseks impulssiks, ioniseerunud laeng kogutakse elektroodide vahel ning seejärel võimendatakse ja digitaliseeritakse.

Peamised tüübid

• Gaasionisatsioonidetektorid — Ioniseeriva kiirguse põhjustatud laeng kogutakse elektroodide vahel. Nendeks on ionisatsioonikamber, proportsionaallaskur ja Geiger–Müller'i toru.
• Skintillatsioonidetektorid — orgaanilised (näiteks plast) ja anorgaanilised (näiteks NaI, CsI) materjalid, mis kiirgavad footoneid kokkupõrkest. Footonid muudetakse elektrisignaaliks PMT või fotodioodidega.
• Pooljuhtdetektorid — räni- või germaaniumipõhised detektorid (nt Si-pikselid, Si-strip, HPGe), mida iseloomustab hea energia- ja positsiooniresolutsioon.
• Cherenkovi detektorid — tuvastavad kiirgust, mis liigub aine sees kiiremini kui valguse kiirus selles keskkonnas; kasutatakse osakeste tuvastamiseks ja kiiruse mõõtmiseks.
• Jälgimisdetektorid — drift chamber, multi-wire proportional chamber (MWPC), time projection chamber (TPC) ja silicon trackers, mis rekonstrueerivad osakeste trajektoore.
• Kalorimeetrid — mõõdavad osakeste täielikku energiat; jagunevad elektromagnetilisteks ja hadroonilisteks kalorimeetriteks.
• Neutronidetektorid — kasutavad sageli 3He, 10B või skintillatsioonikonvertereid, kuna neutronid ei ioniseeri otse nagu laengukandjad.
• Pilve- ja mullikamber — visuaalsed tehnikad, kus osakeste teed jäetakse nähtavaks kondenseerunud tilkade või mullide kujul; sobivad harva tänapäevases eksperimentaalses kasutuses, ent on olulised õpetlikult ja ajalooliselt.

Olulised omadused ja parameetrid

• Tuvastuse efektiivsus — kui suur osa läbi liikuvatest osakestest detektoris registreeritakse.
• Energiaresolutsioon — võime eristada erineva energiaga osakesi; pooljuht- ja HPGe-detektoritel on tavaliselt väga hea energiaresolutsioon.
• Ajaresolutsioon — kui täpselt saab registreerida detektsiooni toimumise aega (oluline ristsünkroonimiseks ja väljalülitamiseks).
• Positsiooniresolutsioon — trajektooride rekonstrueerimise täpsus.
• Sagedustaluvus ja 'dead time' — kui kiirelt detektor suudab registreerida järjestikuseid sündmusi ja kui kaua ta on pärast lööki mitteaktiivne.
• Taust ja selectiivsus — võime eristada huvipakkuvat signaali mürast ja kosmilise kiirguse taustast.

Kasutusalad

• Akadeemiline teadus — osakestefüüsika eksperimentides (nt suurte teil) ja tuumaosakeste uurimisel üldiselt.
• Tervishoid — meditsiiniline kujutamine (PET, SPECT), kiiritusravi planeerimine ja dosimeetria.
• Tootmine ja tööstus — mitte-kahjustav testimine, materialide paksuse mõõtmine, torude ja keevituste kontroll.
• Tuumakaitse ja ohutus — reaktorite järelvalve, radiatsioonikaitsemonitorid, keskkonna kiirguse jälgimine.
• Turvalisus — sadamate ja lennujaamade skaneerimissüsteemid, laevade ja kaubasaadetiste kontroll.
• Ruumiuuringud — kosmoseaparaatidel kasutatavad detektorid kosmilise kiirguse ja päikesepursete mõõtmiseks.
• Inseneri- ja tootekontroll — nafta- ja gaasitööstuse puurimisinstrumentatsioon ja torude logimine.

Elektroonika ja andmetöötlus

Detektori tuvastatud signaalid on tavaliselt väga nõrgad ja vajavad eelvõimendust, kujundamist (shaping), digitaliseerimist ADC või ajamõõtmiseks TDC abil ning tõhusa andmeside ja salvestussüsteemi (DAQ). Suuremahulistes eksperimentides kasutatakse keerulisi triggereid sündmuste valimiseks, andmete kompaktseks säilitamiseks ja reaalajas järelduste tegemiseks. Analüüsis kasutatakse sageli Monte Carlo simulatsioone (näiteks GEANT4) süsteemi optimeerimiseks ja andmete tõlgendamiseks.

Turvalisus, kalibreerimine ja levinud probleemid

Detektoreid tuleb regulaarselt kalibreerida, kasutades tuntud energiasid või LED-pulse skintillatsioonisüsteemide puhul. Tavalised probleemid on müratase, lekkevoolud (pooljuhtides), vananemine (gaasisüsteemides ja skintillatorites) ning kiirguskahjustus (eriti pooljuhtidel). Ohutusnõuded on rangeid, kui töötatakse radioaktiivsete allikatega — on oluline järgida asjakohaseid kiirguskaitse standardeid ja dokumentatsiooni.

Kokkuvõttes on osakeste detektorid mitmekülgsed instrumendid, mille valik sõltub mõõtmise eesmärgist: kas tahetakse saada täpset energiat, täpset positsiooni, kiiret ajamärget või vastupidavat instrumenti pidevaks monitooringuks.

Kirjeldus

Kaasaegsete kiirendite jaoks mõeldud detektorid on väga suured. Nad on ka väga kallid. Neid nimetatakse loenduriteks, kui nad lihtsalt loendavad osakesi, kuid ei mõõda midagi muud. Tavaliselt suudavad osakeste detektorid jälgida ka ioniseerivat kiirgust (kõrge energiaga footonid või isegi nähtav valgus).

Näited ja tüübid

Paljud seni leiutatud detektorid on ionisatsioonidetektorid (näiteks gaasilise ionisatsiooni detektorid ja pooljuhtdetektorid) ja stsintillatsioonidetektorid. Osakeste avastamiseks on rakendatud ka muid põhimõtteid, nagu Čerenkovi valgus ja üleminekukiirgus.

Mõnda detektorit kasutatakse kiirguse koguse mõõtmiseks, et inimesed saaksid end selle eest kaitsta. Teisi kasutatakse tuuma- ja osakestefüüsika uurimiseks.

Pilvekamber, kus on nähtavad ioniseeriva kiirguse jäljed (lühikesed, paksud: α-osakesed; pikad, õhukesed: β-osakesed).


CERNi mullikambri salvestamine

Küsimused ja vastused

K: Mis on osakeste detektor?

K: Millised on kõrge energiaga osakeste allikad?

K: Millistes valdkondades kasutatakse osakeste detektoreid?

K: Milliseid muid funktsioone võivad kaasaegsed detektorid täita?

K: Milliseid muid osakeste omadusi saab osakeste detektorite abil mõõta?

K: Milline on osakeste detektorite tähtsus tuumatehnikas?

K: Kuidas on osakeste detektorid aidanud kaasa osakestefüüsika arengule?

Otsing