Способ калориметрического измерения ионизирующих излучений

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИ ХРЕСПУБЛИН 103 Т 7(5) С 01 Т 1 ННЫЙ НОМИТЕТ СССОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОСУДАРСЧО ДЕЛА САНИЕ ИЗО ТЕНИЯ ВИДЕТЕЛЬСТВУ ВТОРСНОМ(54) (57) СПОСОБ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУКЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, основанный на охлаждении детектора досверхнизкой температуры и измерениитепловыделения в нем, о т л и ч а ю - .щ и й с я 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 103777Предлагаемое 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 ляется область процессов с малыми передачами импульса, например нейтрин. ная оптика, для которой в настоящее время детекторы отсутствуют.Широко известен калориметрический 15 способ определения радиоактивности по количеству тепла, выделяющегося в веществе-поглотителе, который исторически был одним из первых для регистрации и измерения ядерных излуче ний 1,Недостатком этого способа яьляется низкая чувствительность, вследствие чего он может применяться только для измерения больших активностей. Извест 5 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 измеренияравно:35 огде С - теплоемкость детектора,И - полная мощность энерговыдей:ления в детекторе за счетполезного эффекта и фона.Наиболее близким к изобретению является способ калориметрического измерения ионизирующих излучений, основанный на охлаждении детектора до сверхнизкой температуры и измерении тепловыделения в нем 121 .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 1 К получена чувствитель ность 10 Вт кг что позволило уверенно регистрировать космическое излучение (жесткую компоненту), приводящее к тепловыделению в детекторе 8 10Вт 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 свинца при Т=10 мК вызовет изменение температуры на 16 мкК или на О, 167, что может быть изменено с очень высокой точностью (порядка 10 7). При рабочей температуре 10 мК возможно получение чувствительности 10Вт 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 0,0152.Для ряда. физических экспериментов, особенно для исследований процессов смалыми передачами импульса, например, внейтринной оптике, такие чувствительности и разрешение недостаточны.Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительностии спектрометрического разрешения поэнергии при регистрации ионизирующихизлучений. 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 1 = е Е 8/ Е, где Е заряд электрона, Г - длина детектора вдоль силовых линий поля, Е - энерге1037771 едактор П.Горькова Техред М.Пароцай Корректор.М.Самб Заказ 2771/1 Тираж 748 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, И, Раушская наб д.4/5 Филиал ППП "Патент", г,ужгород, ул .Проектная, 4 тическая щель в полупроводнике. Для детектора из йе длиной 10 см и Е :4=10 В см 1, 1 = 1 О , Таким образом, максимальная чувствительность при 10 мК может достигать при йспользова-у -1 нии теплового усиления 10 Вт кг а спектрометрическое разрешение примерно 10 7 в области энергий больше 1 МэВ. Реально эффективность тепловогоусиления зависит лишь от качества полупроводника, т.е.количества примесей и дефектов, которые определяют, 5 во-первых, длину дрейфа носителей вполе до захвата ловушкаж или рекомбинации и, во-вторых, величину поля, которое можно приложить к крис-.таллу.