Способ калориметрического измерения ионизирующих излучений Советский патент 1985 года по МПК G01T1/12 

САЭ « 110 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 является 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, вьщеляклцегося в веществе-поглотителе, которьй исторически был одним из первых для регистрации и измерения ядерных излучеНИИ l . Недостатком этого способа является 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 деистВИЯ калориметрических детекторов, который заключается в том,что изменение температуры детектора - мишени в адиабатическом калориметре за время измерения С равно: , где С. - теплоемкость детектора, Wg-- полная мощность энерговыделения в детекторе за счет полезного эффекта и фона. Наиболее близким к изобретению яв ляется способ калориметрического измерения ионизиругацих излучений, ocHo ванный на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловыделения в нем . Так как теплоемкость диэлектриков пропорциональна Т , а металлов Т, то, в принципе, чувствительность мож но сделать сколь угодно высокой, понижая температуру Т. Например, для металлического детектора при рабочей температуре 1К получена чувствителькость Вт-кг , что позволило уверенно регистрировать космическое излучение (жесткую компоненту), при1водящее 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 МэВ в 1 кг сверхпроводящего свинца при мК вызовет изменение температуры на 16 мкК или на 0,16%, что может быть изменено с очень высокой точностью (порядка ). 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 вьше достигается разрешение Е/Е не хуже 0,015%. 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 тепло выделе в нём, в качестве материала детейтора 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 eE&/Eg , где е заряд электрона, - длина детектора вдоль силовых линий 11ОЛЯ, В - энерге3 10377714

тическая щель в полупроводнике. ДляРеально эффективность тепловогодетектора из Qe длиной 10 см и Е усиления зависит лишь от качества , k « 10 . Таким образом,лупроводника, т.е. количества примемаксимальная чувствительность присей и дефектов, которые определяют,

10.мК может достигать при использова-5 во-первых, длину дрейфа носителей в

НИИ теплового усиления Ю Вт-кг ,поле до захвата ловушками или рекома спектрометрическое разрешение при-бинации и, во-вторых, величину псшя,

мерно 10 % в области энергий большекоторое можно приложить к крис1 МэВ.таллу.

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.