Диэлектрический детектор

Заряженные частицы, попадая в диэлектрик, вызывают появление в нём радиационных дефектов. Это проявляется в появлении нарушений структуры диэлектрика при торможении тяжёлых ионов в узком канале, соответствующем траектории движения частицы в диэлектрике (или полупроводнике). Диаметр трека составляет величину в пределах от ${\displaystyle 1-5\cdot 10^{-3}}$ мкм до ${\displaystyle 1-5\cdot 10^{-2}}$ мкм. Иногда следы тяжёлых частиц в диэлектрическом детекторе проявляют себя в виде лунок диаметром от десятков до сотен мкм. Нарушение структуры диэлектрика, треки и лунки фиксируются с помощью методов электронной микроскопии. Выявление треков часто производится с помощью селективного послойного травления поверхности диэлектрического образца кислотами, щелочами или окислителями, поскольку скорость травления вдоль трека выше, чем той части диэлектрика, которая не подверглась воздействию заряженных частиц^[1].

Диэлектрические детекторы фиксируют заряженные частицы, обладающие энергиями от ${\displaystyle 10^{-3}}$ до ${\displaystyle 10^{4}}$ МэВ/нуклон.

Физический механизм образования дефектов в диэлектрике под воздействием тяжёлых и/или частиц с высокой энергией состоит в ионизации материала диэлектрика, приводящей к возникновению электронов и ионов, деформирующих кристаллическую решётку. Возникшие в результате ионизации ионы начинают взаимодействовать с ионами кристаллической структуры, и в результате электростатического отталкивания она деформируется.

Появление протяжённых дефектов и треков имеет пороговый характер, параметры которого зависят от свойств диэлектрического материала (подвижности ионов, вакансий, энергии частиц, попадающих в диэлектрик). В некоторых диэлектриках, например, полимерах, возникновение вторичных электронов приводит к разрывам химических связей, образование радикалов и молекул с достаточно продолжительным временем жизни (до нескольких суток). Образовавшиеся молекулы всегда имеют меньшую молекулярную массу, чем молекулы вещества-матрицы. Изменение порога чувствительности добиваются термическим отжигом при температурах 200—600 °С.

Характерным параметром диэлектрического детектора является его энергетическое разрешение ${\displaystyle R_{E}}$ (порядка 50-60 кэВ) и пространственное разрешение ${\displaystyle R_{S}}$ (порядка 5-10 мкм) при энергии падающих α-частиц порядка 6 МэВ.

Диэлектрические детекторы не чувствительны к рентгеновскому, γ- и β-излучениям, малым частицам с высокой энергией.

В качестве материалов для изготовления диэлектрических детекторов используются силикатные и фосфатные стёкла, слюды (мусковит и фторфлогопит), лавсан, поликарбонат, нитрат и ацетат целлюлозы. Одним из наиболее чувствительных материалов считается диэтиленгликоль — бисаллилкарбонат (с его помощью регистрируют α-частицы с энергией до 7 МэВ). Применяют также природные и синтетические кристаллы. Более тяжёлые частицы регистрируют с помощью диэлектрических детекторов из оливина, топаза, торина, магнийстронцевого стекла^[2].

Диэлектрические детекторы применяются для регистрации тяжёлых частиц, работают при низких и высоких температурах, в вакууме, агрессивных средах, при высоких давлениях, ударных нагрузках, в условиях космоса. При наличии покрытия из ${\displaystyle ^{235}U}$, ${\displaystyle ^{238}U}$ диэлектрические детекторы применяются для регистрации тепловых и быстрых нейтронов (по осколкам деления). Избирательность (селективность) диэлектрических детекторов изменяют легированием элементами от лития (Li) до урана (U).

Диэлектрические детекторы применяются в дозиметрии, радиографии, металловедении, ядерной физике (при исследовании ядер), с их помощью обнаружены трансурановые элементы от А-103 до Ф=107, открыты явление запаздывающего деления ядер из изомерных состояний, деление ядер на три осколка, а в космических лучах обнаружены ядра тяжелее ядра железа (Fe), при контроле термоядерной плазмы^[3].