Способ калориметрического измерения ионизирующих излучений

 

СПОСОБ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, основанный на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловьщеления в нем, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и спектрометрического разрешения, в .качестве мате-. риала детектора используют полупроводник , являющийся при рабочей температуре диэлектриком, или кристаллический диэлектрик с узкой запрещенной зоной, и помещают его в стационарное электрическое поле с напряженностью меньше напряженности пробоя.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН

4(sl) G 01 Т 1 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3316684/18-25 (22) 10.0? . 81 (46) 15.04.85. Бюл. Ф 14 (72) Б.С.Неганов и В.Н.Трофимов (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.387.424(088.8) (56) 1. Клемент В., Кун А. Техника измерения радиоактивных излучений. Наука", И., 1964, з 1.7.

2. Неганов Б.С., Трофимов В.Н.

Письма ЖЭТФ, 1978, вып. 6, с. 28 (прототип).

„„SU„„1037771 А (54) (57) СПОСОБ КАЛОРИИЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУКЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, основанный на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловыделения в нем, о т л и ч а ю —. шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и спектрометрического разрешения, в,качестве мате . риала детектора используют полупроводник, являющийся при рабочей температуре диэлектриком, или кристаллический диэлектрик с узкой запрещенной зоной, и помещают его в стационарное электрическое поле с напряженностью меньше напряженности пробоя.

1 103777

Предлагаемое изобретение относится к способам детектирования ионизирующих излучений, основанным на регистрации тепловых эффектов в веществепоглотителе (детекторе) и может быть использовано для создания чувствительных детекторов слабых потоков заряженных и нейтральных полей и частиц и регистрации редких событий. Преимущественной областью использования яв- 10 ляется область процессов с малыми передачами импульса, например нейтрин. ная оптика, для которой в настоящее время детекторы отсутствуют.

Широко известен калориметрический способ определения радиоактивности по количеству тепла, выделяющегося в веществе-поглотителе, который исторически был одним из первых для регистрации и измерения ядерных излуче- 20 ний j1) .

Недостатком этого способа яьляется низкая чувствительность, вследствие чего он может применяться только для измерения больших активностей. Извест но, что чувствительность такого способа можно значительно повысить путем охлаждения вещества-поглотителя до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это следует из принципа действия калориметрических детекторов, который заключается в том,что изменение температуры детектора — мишени в адиабатическом калориметре за время измерения равно:

35 Т W dt p ( о где — теплоемкость детектора, — полная мощность энерговыде- 40

2 ления в детекторе за счет полезного эффекта и фона.

Наиболее близким к изобретению является способ калориметрического измерения ионизирующих излучений, осно-45 ванный на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловыделения в нем (21 .

Так как теплоемкость диэлектриков пропорциональна Т, а металлов Т, 50 то, в принципе, чувствительность можно сделать сколь угодно высокой, понижая температуру Т. Например, для металлического детектора при рабочей температуре 1К получена чувствитель- 55 ность 10 Вт ° кг, что позволило уверенно регистрировать космическое излучение (жесткую компоненту), при-! водящее к тепловыделению в детекторе

8 ° 10 Вт ° кг . При переходе к еще более низким температурам становится возможной регистрация уже отдельных актов взаимодействия. Например, распад радиоактивного ядра с энергией

1 ИэВ н 1 кг сверхпроводящего свин— ца при Т=10 мК вызовет изменение температуры на 16 мкК или на О, 16Х, что может быть изменено с очень высокой точностью (порядка 10 7). При рабочей температуре 10 мК возможно получение чувствительности 10 Вт-кг что соответствует потерям энергии в

1 кг детектора 150 эВ в час. При этом в области энергий 1 МэВ и выше достигается разрешение Е/Е не хуже 0,015Х.

Для ряда физических экспериментов, особенно для исследований процессов с малыми передачами импульса, например, в нейтринной оптике, такие чувствительности и разрешение недостаточны.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и спектрометрического разрешения по энергии при регистрации ионизирующих излучений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе калориметрического измерения ионизирующих излучений, основанном на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловыделения в нем, в качестве материала детектора используют полупроводник, являющийся при рабочей температуре диэлектриком, или кристаллический диэлектрик с узкой запрещенной зоной, и помещают его в стационарное электрическое поле с напряженностью меньше напряженности пробоя.

Физическая сущность предлагаемого способа измерения заключается в следующем. Если в результате регистрируемого события происходит переброс одного или нескольких электронов из валентной зоны в зону проводимости, то образовавшиеся свободные носители (электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне) начнут дрейфовать в противоположных направлениях, "перекачивая" энергию электрического поля в тепло (за счет различных диссипативных,процессов). Максимальный коэффициент теплового усиления в этом случае равен k = e Е Вl Eg, где Е заряд электрона, 0 — длина детектора вдоль силовых линий поля, г — энерге1037771

Редактор П.Горькова Техред М.Пароцай Корректор.N.Самборская

Заказ 2771/1 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, И-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул .Проектная, 0 тическая щель в полупроводнике. Для детектора из Cje длиной 10 см и E =

4 1 5

=10 В.см 1, k = 10 . Таким образом, максимальная чувствительность при

10 мК может достигать при йспользова 5 1 нии теплового усиления 10 Вт кг а спектрометрическое разрешение примерно 10 7 в области энергий больше

1 МэВ.

Реально эффективность теплового. усиления зависит лишь от качества полупроводника, т.е. количества примесей и дефектов, которые определяют, 5 во-первых, длину дрейфа носителей в поле до захвата ловушкаыс или рекомбинации и, во-вторых, величину поля, которое можно приложить к крис-. таллу.