ДЕТЕКТОРЛАР (латынша – ашқыш), бөлшектердің – қарапайым бөлшектерді (протондарды, нейтрондарды, электрондарды, мезондарды, т.с.с.), атомдық ядроларды (дейтрондарды, α-бөлшектерді, т.б.), сондай-ақ рентгендік және γ-кванттарды тіркеуге арналған аспаптар мен құрылғылар. Бұлар электрондық (детектор аумағына бөлшектер немесе кванттар енгенде электрлік импульс тудыратын) және тректік детекторларға (тек бөлшектердің детектор аумағынан өту сәтімен қатар оларды тіркеумен және олардың іздерін – тректерін) көрсететін детекторларға ажыратылған. Бұлардың жұмыс істеу принципі зарядты бөлшектердің қарастырылатын ортаның атомдарымен әсерлесуіне негізделген. Зарядты бөлшектердің кинетикалық энергиясы атомдарды иондауға немесе қоздыруға және Черенковтық сәуле шығаруға жұмсалады. Сондықтан заттарда пайда болған иондар мен фотондардың санына қарай осы зат арқылы өткен зарядты бөлшектің табиғаты мен энергиясын анықтауға болады. Детекторлар арқылы бейтарап бөлшектер де (олардың ортамен әсерлесуінен туған зарядты бөлшектер бойынша) зерттеледі. Бірлік уақыт ішінде есепке алынатын бөлшектердің ең көп саны детектордың ажырату мүмкіндігі деп аталады. Детекторлар жұмыс істеу принципі бойынша 4 топқа жіктелген.
Иондауыш детекторлар электрондық детекторлар қатарына жатады. Бұлардың әсерлері тіркелетін бөлшектердің атомдары мен молекулаларын иондауға негізделген. Егер бөлшектің электр заряды болмаса (нейтрондар, γ-кванттар), онда иондауды екінші реттік зарядты бөлшектердің
Телескоптық санауышты құрай-
тын бөлшектер траекториялары- тебіліс протондары, электрондары және позитронна көлденең орналастырылған им- дары тудырады. 1908 жылы ағылшын физигі Эр-
пульстік екі детектор арқылы
шапшаң бөлшектердің өтуі. нест Резерфорд (1871 – 1937) қолданған алғашқы детектор иондауыш камера болған. Бұл камераға газ толтырылып, электродтар орнатылған. Электродқа кернеу түсіріледі. Зарядталған бөлшектер камера аумағынан өткен кезде, газды иондайды; пайда болған иондар және электрондар электродтарға шоғырланады, осыдан камера тізбегінде ток туады.
Иондауыш камера жеке бөлшектерді
(ток импульсін), сонымен қатар олардың Гейгер-Мюллер санауышы: с – корпус; 2 – қыл; интегралдық ағындарын да тіркей ала- С1, С2 – конденсаторлар; R – резистор ды. Электрондардың электродтарға шоғырлануы иондардың шоғырлануынан 103 – 104 есе кем болады, сол себепті жеке бөлшектерді тіркеу үшін сигналдың электрондық құраушысы (компоненті) пайдаланылады.
Иондауыш детекторлар газ арқылы өткен зарядты бөлшектердің иондалуы нәтижесінде пайда болатын газ разрядына негізделген. Бұларға Гейгер – Мюллер санауышы, пропорционал, өзін-өзі сөндіргіш, т.б. санауыштар жатады. Пропорционал санауыш өосіне жіңішке сым керілген металл цилиндрден жасалған. Цилиндрге теріс потенциал беріледі. Цилиндрден мұқият оқшауланған сым кедергі арқылы жермен қосылған болады. Зарядты бөлшектер газ арқылы өткенде оның атомдарын иондап, электрондар осьтегі сымға, ал оң иондар цилиндрге тартылады. Санауышқа берілген потенциалдар айырымы онша үлкен болмаса, бірақ барлық иондар электродқа жетіп үлгерсе, ондай санауыш иондау камерасы деп аталады. Егер цилиндрге берілген потенциалдар айырымы үлкен болса, онда пайда болған электрондардың кинетикалық энергиясы артып, жолында кездескен атомдарды иондайды. Екінші реттік электрондар одан әрі қарай өзге атомдарды иондап, иондар мен электрондар санын арттырады. Жұмыс істеу принципі осы құбылысқа негізделген
Иондау камерасы: 1, 2 – электродтар; 3 – бөл-
шектердің тректері санауыштар пропорционал сана- уыштар деп аталған. Бұл санауыштар, көбінесе зарядты бөлшектердің табиғатын анықтау үшін пайдаланылады. Құрылысы жағынан осыларға ұқсас Гейгер – Мюллер санауышы да газдардың өздігінен разрядталуына негізделген. Бұл санауыштар, көбінесе, радиоактивті изотоптарды, олардан ұшып шыққан зарядты бөлшектер мен γ-сәулелер бойынша бақылауға қолданылады.
Сцинтилляциялық детекторлар зарядты бөлшектердің жарқырауын тудыратын сцинтилляторлардан, осы жарқылды тіркегіш бір немесе бірнеше фотоэлектрондық көбейткіштен (ФЭК) құралған. Уақыттық ажыратуы өте жоғары ~ 10–9 секунд. Өлшемдері үлкен (өлшемі бірнеше м3) сцинтилляциялық диодтар бар.
Сцинтилляциялық санауыштар екі бөліктен: сырттан келіп түсетін бөлшектің әсерінен люминесценцияланатын зат – сцинтиллятордан және фотоэлектрондық көбейткіштен (ФЭК) құралған. Сцинтилляторға түскен зарядты бөлшек оның молекулаларын қоздырады. Соның нәтижесінде одан фотондар ұшып шығатын болады. Осы әлсіз жарқылды ХХ ғасырдың басында-ақ жай көзбен бақылап санаған. Бұл жарқылдардың ұзақтығы сцинтиллятор жасалған заттың табиғатына орай 10– 9 сек-тан 10– 4 сек- қа дейін созылады. Сцинтилляторларда пайда болған фотон саны – зарядты бөлшектің шығындаған энергиясына пропорционал болады. Санауыштардың бұл қасиеті оларды бөлшектердің энергиясын өлшеуге де пайдалануға мүмкіндік берді. Сцинтиллятор ретінде көптеген органикалық және бейорганикалық заттар [ NаJ (ТІ), LiJ (ТІ), стильбен т.б.] қолданылады. Бұл заттар мөлдір және бөлшектің оларға шығындаған энергиясының көбі фотонға айналатындай жағдайда болуы керек. Сондықтан сцинтиллятор кристалл түрінде де, сұйық түрінде де жасалады. Олардың ажырату мүмкіндігі жоғары (109 бөлшек
/сек).
Черенковтық санауыштар. Зарядталған бөлшектер заттарда (радиаторда) жарықтың берілген ортадағы фазалық жылдамдығынан артық жылдамдықпен қозғала отырып, қозғалыс бағытымен арақатынасы белгіленген сәуле шығарады (таратады). Черенков санауышында жарықтың фотокатодқа келіп түсетін жалпы мөлшері, әдетте сцинтилляциялық детектормен салыстырғанда бірнеше ондаған есе кем болады, соған қарамастан радиатордан өткен бөлшектерді тіркеу үшін жеткілікті болады. Осы детекторларда жарықтың шығуы берілген ортадағы жылдамдығы жарықтың фазалық жылдамдығынан артық бөлшектер үшін мүмкін болатындықтан, бұл детекторлар берілген жылдамдықты бөлшектерді бөліп алу үшін пайдаланылады (табалдырықты детекторлар). Черенковтық санауыштарда жарықтың шығуы лезде жүзеге асатындықтан, оның рұқсат ететін уақыты 10–9 секундқа шамалас болады. Энергиясы ~ 1011 – 1012 эВ зарядты бөлшектерді тіркеу үшін қасиеттері кенет өзгеретін екі ортаның (әдетте газ–қатты дене) шекарасы арқылы өтетін тіркелуші бөлшектің өтуі кезінде жарқыл пайда болатын детекторлар пайдаланылады.
Жартылайөткізгіштік детекторлар жұмыс принципі бойынша иондауыш детекторларға ұқсас, бұларда шапшаң бөлшектер үшін едәуір жоғары тежеуіштік қасиеті болатын қатты орта пайдаланылған. Бұл ортадан өткен бөлшектер электронды-кемтіктік қосақтар түзетін болады. Осы қосақтар электродтарға берілген кернеудің әсерінен сыртқы тізбекте электр импульсін тудырады. Зарядты ауыр бөлшектердің қатты денелердегі еркін жолының ұзындығы өте қысқа болатындықтан жартылайөткізгіштік детекторлардың өлшемдері өте шағын. Оның пайдалы қабатының қалыңдығы ондаған микрондай ғана болады. Мұның өзгедей детекторлардан артықшылығы бұларға жоғары вольтті ток көзінің қажеті жоқ және ол нүктелік детекторлар қызметін атқара алады. Ажырату уақыты аз (~ 10– 9 секунд). Жартылайөткізгіштік детекторлардың сенімділігі жоғары, магниттік өрістерде жұмыс істей алады.
Жеке бөлшектерді тіркейтін барлық импульстік детекторлардың жұмысы үшін (диэлектриктік детекторларды және кристалдық есептеуіштерді қосқанда) электрондық тіркеуіш
аппаратуралардың маңызы зор. Бұлар
Жартылайөткізгіштік санауыш: (р – n ауыс-
палы): 1 – зарядты бөлшектер траекторияла- детекторлардың негізгі бөліктері боры; 2 – р – n-ауыспалы аймақ; 3 – р қабат; 4 – n лып табылады, оларды сигналдық қабат датчик ретінде қарастыруға бола-
ды. Бұл аппаратуралар сигнал амплитадасын күшейтумен және электрлік сигналдарды түрлендірумен қатар әртүрлі ядролық үрдістер үшін қажетті логикалық амалдар орындай алады.
Тректік детекторларға кеңістіктік жоғары ажыратушылық тән. Уақыттық ажыратқыштығы жоғары емес немесе іс жүзінде ажыратқыштығы жоқ. Осы кемшілікті бұлар «оқиғаның» төтенше толық және ұсақ-түйегіне дейін айғақтау арқылы есесін қайтарған, бұл бөлшектердің заттармен қарапайым өзараәсерлесуі, бөлшектердің ыдырауы, т.б. болуы мүмкін.
Қарапайым тректік детектор ядролық фотографиялық эмульсия болып табылады. Эмульсиядан зарядталған бөлшектер өткенде эмульсияда ион- дану құбылысы болып, онда жасырын кескін орталығы пайда болады. Эмуль- сия айғақталған соң зарядты бөлшектердің іздері металл күміс түйіршіктерінің тізбегі түрінде байқалатын болады. Түйіршіктер өлшемдерінің кіші болуы кеңістіктік жоғары айырғыштық қасиетке ие етеді, эмульсиядағы іздерді егжейтегжейлі зерттеу зарядты бөлшектердің массасын және олардың энергиясын анықтауға мүмкіндік жасайды. Кейде тректер бойынша бөлшектердің «тууынан» бастап ыдырауына дейінгі барлық кезеңін бақылауға болады.
Радиоактивтілікті және ғарыштық сәулелерді зерттеуде үлкен маңызы бол- ған к л а с с и к а л ы қ т р е к т і к д е т е к т о р – Вильсон камерасы және оның түр өзгерісі болып табылатын диффузиялық камера болды. Газбен және спирттің немесе судың аса қаныққан буымен толтырылған камераға түс- кен иондауыш бөлшектердің іздері осы бөлшектер тудырған ұйытқы иондар- дың төңірегінде конденсацияланған бу тамшыларының пайда болуы салдарынан көрінетін болады. Тректерді тіркеу үшін Вильсон камерасы қажет уақыт сәтінде импульстік жарықпен жарықталып суретке түсіріледі. Вильсон камерасын маг- нит өрісіне орналастырып, тректің ауытқуы арқылы бөлщектердің импульстерін және оның электр зарядын анықтауға болады. Вильсон камерасын көпіршікті және ұшқынды камералар бірте-бірте ығыстырып шығарды.
Көпіршікті камера – үдеткіштердегі ғылыми тәжірибелерде қолданылатын негізгі тректік детекторлардың бірі. Егер сұйық аса
қызған күйге келтірілсе, онда ол белгілі бір
Вильсон камерасының сұлбасы уақыт қайнамай тұратын болады. Осындай аса
қызған сұйық арқылы иондауыш бөлшек ұшып өтетін болса, әлгі сұйық қайнай бастайды. Бу көпіршіктері ұлғаймай тұрғанда жарықталып суретке түсіріледі. Зарядталған бөлшектердің магнит өрісіндегі ауытқуын Вильсон камерасындағыдай өлшеу зарядты бөлшектің импульсімен заряд таңбасын анықтауға мүмкіндік береді. Көпіршікті камераның басты артықшылығы өзараәсерлесудің бір актісінде пайда болатын зарядты бөлшектердің кез келген санын іс жүзінде тіркеу кезіндегі эффективтілігі жоғары, бұрыштар мен импульстерді өлшеу дәлдігі жоғары, ауыр сұйықты камералар үшін – γ-кванттар үшін конверсиялық (айналу, өзгеру) қасиеті жоғары, кемістігі зерттелуші бөлшектер санының шектеулі (аз) болуы.
Ұшқынды камера. Зарядталған бөлшек газды иондайды және осы бөл- шектер өткен сәтте олардың траекторияларының бойында электрондардан және иондардан түзілген баған пайда болады. Егер бөлшектер өткен соң ≤1 мкс (микросекунд) уақыттан кейін камераның электродтарына жеткілікті мөлшерде жоғары кернеу берілсе, олардың арасында бөлшек өткен тұста ұ ш қ ы н д ы қ т е с у болады. Ұшқындық камераның кеңістіктік ажыратқыш қасиеті бар, сонымен бірге қарқындылығы ~ 105 еседен астам шоқтармен жұмыс жасайды әрі бүкіл бөлшектер тіркелмейді, ішінара таңдау арқылы тіркеледі. Ұшқынды тіркеудің қарапайым тәсілі – суретке түсіру. Электрондық есептеуіш машиналарды (ЭЕМ-
Ұшқындық камера сұлбасы ды) пайдалану фильмсіз ұшқынды камераны ендіруге жағдай жасаған. Онда ұшқындардың
координаттары ЭЕМ-ның жадына жазылып алынады да, бірден математикалық өңдеуге алынады.
Бөлшектердің траекторияларын есептеуіштердің телескопын құрайтын детекторлардың импульстік жүйелері арқылы да тіркеуге болады. Бөлшектердің өткендігі туралы дабыл беретін есептеуіштердің нөмірлері бойынша осы бөлшектердің траекторияларын анықтауға болады. Өлшеу дәлдігі қарайған бұрыштың шамасы бойынша анықталады (сызбаға қараңыз). Осыларды магнит өрісіне орналастырып зарядталған бөлшектердің импульстерін және олардың таңбаларын анықтауға болады. Мысалы, атом ядросының ыдыратылуы кезінде пайда болатын ауыр зарядты бөлшектердің іздерін кейбір кристалдар арқылы табу мүмкіндігі бар.