Дете́кторы части́ц, приборы для регистрации частиц (протонов, нейтронов, осколков деления ядер, электронов, $γ$-квантов, нейтрино и др.). Детекторы частиц применяются для определения типа ядерного излучения и измерения его основных характеристик (интенсивности, энергетического и пространственного распределений и др.). Детекторы частиц используют в экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, ядерных реакторах, при исследовании космических лучей, а также в дозиметрии и радиометрии.

Действие детекторов частиц основано на различных процессах взаимодействия частиц с веществом. Основными процессами, которые вызываются заряженными частицами, являются ионизация и возбуждение атомов и молекул, а также (для релятивистских частиц) возбуждение черенковского и переходного излучений. Нейтральные частицы (нейтроны, $γ$-кванты и др.) регистрируются по вторичным заряженным частицам, появляющимся в результате их взаимодействия с веществом. В случае $γ$-квантов это электроны, возникающие за счёт фотоэффекта, эффекта Комптона, рождения электрон-позитронных пар. Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным продуктам взаимодействия (ядрам, протонам, мезонам и др.), медленные нейтроны – по излучению, сопровождающему их захват ядрами вещества (см. Нейтронные детекторы).

Наиболее обширную группу детекторов частиц составляют ионизационные детекторы, действие которых основано на ионизации атомов и молекул, вызываемых заряженной частицей в веществе рабочего объёма детектора. Ионизационные детекторы подразделяются на электронные, в которых образующиеся за счёт ионизации газа электроны и ионы вызывают регистрируемый электрический импульс, и трековые, позволяющие воспроизвести траекторию (трек) частицы. Если изначальным откликом детектора на попадающие в него частицы является световой (фотонный) сигнал, такие детекторы называются фотонными.

Идентификация типа излучения достигается выбором вещества, с которым происходит взаимодействие, а также применением различных методов детектирования: измерение части энергетических потерь $ΔE$ в веществе в сравнении с полным энерговыделением $E$ ($ΔE − E$ метод); измерение времён пролёта разных частиц на фиксированной базе (времяпролётный метод); метод анализа формы импульса (АФИ метод); метод, основанный на анализе глубины и диаметра протравленного трека, и др.

Основные характеристики детекторов

Эффективность регистрации детектора частиц (вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объём детектора) определяется его конструкцией и свойствами рабочего вещества. Для заряженных частиц, как правило, эффективность близка к 100 %, для нейтронов и $γ$-квантов она заметно меньше 100 % (т. к. регистрируются процессы вторичной ионизации) и сильно зависит от энергии частиц. Интенсивность излучения, попавшего в детектор частиц, определяется по частоте следования электрических импульсов, по величине силы тока, степени почернения фотоэмульсии, плотности треков и др.

К важным характеристикам детекторов частиц относятся также быстродействие (способность регистрировать две частицы как отдельные события за минимальный интервал времени) и мёртвое время (интервал времени, в течение которого детектор не способен регистрировать очередное событие). С быстродействием детектора частиц напрямую связано его временнóе разрешение (средняя погрешность в определении временнóй отметки). К быстродействующим детекторам можно отнести большинство детекторов на органических сцинтилляторах, ряд детекторов на неорганических сцинтилляторах, пропорциональные счётчики и др., временнóе разрешение которых составляет 0,1–0,5 нс. Энергетическое разрешение (энергетическая разрешающая способность) $R_E$ детектора частиц определяется в основном свойствами рабочего вещества и долей энергии, оставляемой частицей в детекторе. За величину $R_E$ обычно принимают полную ширину спектральной линии $α$- или $\gamma$-источника на её полувысоте, полученную из измерений. Самым высоким энергетическим разрешением обладают детекторы на основе сверхчистого германия ($R_E= 0,5–1,0$ кэВ для $γ$-излучения с $E= 122,1$ кэВ), полупроводниковые кремниевые и монокристаллические алмазные детекторы частиц ($R_E= 15–30$ кэВ для $α$-частиц с $E= 5485,6$ кэВ). Самое низкое энергетическое разрешение у газовых детекторов частиц ($R_E= 100–300$ кэВ для $α$-частиц с $E= 5485,6$ кэВ). Так называемые позиционно-чувствительные детекторы частиц способны определять координаты частиц в пространстве в одной или двух плоскостях. Пространственное разрешение (точность локализации частицы в пространстве) составляет $(2–5)·10^{–2}$ мм для микростриповых кремниевых детекторов и порядка $10^{–5}$ мм для трековых твердотельных диэлектрических детекторов.

Электронные детекторы частиц

К электронным детекторам относятся полупроводниковый детектор, ионизационная камера и аналогичные газовые приборы.

Газовые ионизационные детекторы частиц представляют собой, по сути дела, конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено каким-либо газом. При прохождении заряженных частиц в газовом объёме происходит ионизация вещества, заключённого между двумя электродами с различными потенциалами, в результате чего в электрической цепи возникает ток. При невысокой напряжённости электрического поля ток в цепи не зависит от напряжения на конденсаторе и равен произведению заряда электрона на число пар ионов в единицу времени. Такие детекторы называются ионизационными камерами. При подборе соответствующего газа и конструкции ионизационные камеры способны регистрировать практически все виды излучений.

При более высоких значениях напряжённости поля возникает вторичная ионизация и ток на конденсаторе начинает зависеть от напряжения и становится пропорционален ионизационному эффекту, создаваемому частицами. Такие детекторы называются пропорциональными счётчиками, они применяются для измерения интенсивности излучения и определения энергии частиц. При ещё более высоких напряжённостях поля в конденсаторе возникает разряд при попадании частицы в детектор, и поэтому их называют газоразрядными счётчиками. Наиболее известным примером является счётчик Гейгера, используемый для регистрации $α$-, $β$- и $γ$-излучений. Если в ёмкость между конденсаторами поместить сжиженный газ (обычно аргон или ксенон), то получится жидкий ионизационный детектор, который отличается хорошим энергетическим и пространственным разрешением. Такой детектор, называемый ионизационным калориметром, используется для регистрации релятивистских частиц.

Полупроводниковый детектор можно рассматривать как ионизационную камеру с твёрдым диэлектриком между электродами, однако в полупроводниках процессы образования и движения носителей заряда несколько иные, чем в газе. Средняя энергия, расходуемая на создание одной пары ионов в газе, составляет около 35 эВ для воздуха и около 27 эВ для аргона, в то время как для кремния и германия она равна 3,7 и 3,0 эВ соответственно. За счёт этого полупроводниковые детекторы имеют более высокое энергетическое и временнóе разрешение. Высокая эффективность регистрации быстрых частиц и $γ$-квантов полупроводниковым детектором обусловлена высокой плотностью вещества детектора (на три порядка выше, чем в газе) и возможностью создания объёмных детекторов (несколько сотен см³).

Трековые детекторы частиц

Отдельный класс ионизационных детекторов составляют трековые детекторы, в которых прохождение заряженной частицы фиксируется в виде трека частицы. К трековым детекторам частиц относятся: камера Вильсона и диффузионная камера, работающие за счёт образования конденсата пересыщенного пара на ионах; пузырьковая камера, треки в которой формируются за счёт вскипания перегретой жидкости; искровая камера, дающая след частицы в виде искрового пробоя при подаче на электроды импульсного напряжения до сотни киловольт; стримерная камера, след в которой образуется слабосветящимися электронными лавинами; ядерные фотографические эмульсии на основе отдельных кристаллов или зёрен $\mathrm {AgBr. }$ К трековым детекторам частиц относят также диэлектрический детектор на основе твёрдотельного диэлектрика (типа слюды, кварца, полипропилена и др.), дающий после химического травления отчётливые треки лёгких и тяжёлых заряженных частиц. Такой детектор позволяет измерять интегральный поток частиц в условиях интенсивного фона слабоионизирующих излучений, определять заряд, массу и энергию частиц, а также отличается очень высоким пространственным разрешением.

Фотонные детекторы частиц

К этому типу относятся сцинтилляционный детектор и черенковский счётчик, в которых для преобразования света в электрические сигналы используются различные фотоприёмники: фотоумножители, фотодиоды, фотоэлементы и др. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации вспышек излучения (сцинтилляций) в видимой и УФ-областях спектра. Основными элементами такого детектора являются сцинтиллятор, в котором проходящая частица вызывает световую вспышку, и фотоприёмник, регистрирующий вспышку. Сцинтилляционные детекторы характеризуются высоким временным разрешением, большой амплитудой сигнала на выходе фотоприёмника и малым временем восстановления. Для детектирования релятивистских частиц и их разделения по скоростям применяются черенковские счётчики. В черенковском счётчике заряженная частица, двигаясь со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде, излучает свет, коррелированный с направлением движения. Tак как излучение света происходит мгновенно, то временнóе разрешение определяется характеристиками фотоприёмника. Интенсивность излучаемого света в черенковском счётчике обычно в десятки раз меньше, чем в сцинтилляционном детекторе, но достаточна для надёжной регистрации частиц. В современных экспериментальных исследованиях используются, как правило, установки, содержащие большое количество детекторов различных типов.