Кратко по принципам, чувствительности, энергорезолюции и применимости.
1) Геигер–Мюллер (ГМ)
- Принцип: газоразрядная трубка: единичный ионизационный зародыш при попадании частицы вызывает лавинообразный разряд, дающий стандартный импульс независимо от энергии входящей частицы.
- Особенности:
- Импульс не пропорционален энергии → нет энергетической информации (энергоспектрография невозможна).
- Высокая чувствительность к отдельным квантам/частицам (хорошо для обнаружения), простота и низкая цена.
- Ограничение по счёту из‑за времени восстановления (dead time) $\tau$. Для непарализуемой модели: зарегистрированная скорость $m$ и истинная $n$ связаны как $m=\frac{n}{1+n\tau }$ (в обратной форме $n=\frac{m}{1-m\tau }$).
- Энергозависимая эффективность детектирования, обычно низкая для слабых γ‑излучений; чувствительность к β/α зависит от окон/оконного экрана.
- Энергорезолюция: отсутствует.
- Применимость в дозиметрии: мониторинг присутствия, контроль загрязнений, простые дозиметры/радиометры, аварийный и массовый мониторинг; плохо подходит для точной спектрометрии и для сильноточных полей (нелинейность при больших фона).
2) Сцинтилляционный детектор (органический или неорганический, например NaI(Tl), CsI, LaBr3, пластик)
- Принцип: поглощённая энергия преобразуется в фотоны люминесценции в сцинтилляторе; фотоны регистрируются фотодетектором (ФЭУ, ПМТ или фотодиодом), амплитуда импульса примерно пропорциональна поглощённой энергии.
- Особенности:
- Количество световых фотонов $N_{\gamma }\approx Y\cdot E$, где $Y$ — световой выход (фото/эВ).
- Ограничение энергорезолюции фотостатистикой: приблизительно $R\propto \frac{2.35}{\sqrt{N_{\gamma }}}$. Формально для FWHM: $R=\frac{\mathrm{FWHM}}{E}$.
- Быстрые типы (пластик) хороши для высоких скоростей счёта и тайминга; NaI(Tl) — стандарт для гамма‑спектрометрии средней точности; LaBr3 — высокое быстродействие и улучшенная резолюция.
- Примеры энергорезолюции при $E=662\text{keV}$:
- NaI(Tl): $R\approx 6-7\%$.
- LaBr3:Ce: $R\approx 2.5-3\%$.
- Пластик: очень плохая ($>20\%$), не для спектрометрии.
- Чувствительность: выше объёмная эффективность по сравнению с малым объёмом полупроводника; хорошая для средних энергий γ, лучшее соотношение сигнал/шум, чем у ГМ в спектрометрии.
- Применимость в дозиметрии: спектрометрия для идентификации изотопов (NaI и лучше LaBr3), дозиметры с широким динамическим диапазоном (пластик для быстрых измерений), портальные/контрольно‑дозиметрические системы; требует калибровки по энергии и учёта зависимости эффективности.
3) Полупроводниковый детектор (Si, Ge, HPGe)
- Принцип: при поглощении излучения образуются электронно‑дырочные пары; под воздействием поля пары разделяются и собираются, генерируя заряд, пропорциональный поглощённой энергии.
- Особенности:
- Число пар $n=\frac{E}{\epsilon }$, где $\epsilon$ — средняя энергия, необходимая для формирования пары (например, для Si $\epsilon \approx 3.6\text{эВ}$, для Ge $\epsilon \approx 2.9\text{эВ}$).
- Флуктуации учитывают Fano‑фактор $F$: дисперсия ${\sigma }_n^2=Fn$. Соответственно энергетическое разрешение (по σ): ${\sigma }_E=\sqrt{F\epsilon E}$.
- Очень низкий шум → отличная энергорезолюция; HPGe требует охлаждения (жидкий N2 или электрические охладители).
- Энергорезолюция: пример для HPGe при $E=662\text{keV}$: $R\approx 0.1-0.3\%$ (FWHM порядка $1-2\text{keV}$).
- Чувствительность: высокая по отношению к энергорезолюции и для низких энергий (Х‑ и γ‑лучи); объём устройства обычно мал, поэтому для высокоэффективной регистрации нужны большие кристаллы или наборы.
- Применимость в дозиметрии: эталонная спектрометрия и идентификация изотопов, низкоуровневые измерения, калибровочные лаборатории, радиационная спектрометрия в сложных полевых условиях (если возможна охладка). Также полупроводниковые диоды (Si) применяются в персональных электронных дозиметрах и дозиметрах для рентген/β, но требуют энергетической компенсации и калибровки.
Краткое сравнение по пунктам
- Чувствительность (способность обнаружить излучение / предел обнаружения): полупроводники ≥ сцинтилляторы (в большом объёме) ≥ ГМ (для обнаружения событий ГМ хорош, но для низкоинтенсивных и спектральных задач хуже).
- Энергорезолюция: ГМ — отсутствует; сцинтилляторы — средняя (NaI ~6–7% @662 keV, LaBr3 ~3%); HPGe — отличная (~0.1–0.3%).
- Динамический диапазон и скорость: пластик/быстрые сцинтилляторы и полупроводники обеспечивают высокие счётные нагрузки; ГМ ограничен временем восстановления.
- Практическая применимость:
- ГМ: простой мониторинг, аварийная сигнализация, контрольно‑измерительные приборы.
- Сцинтилляторы: полевое и лабораторное спектрометрирование, дозиметрия с идентификацией источников, портальные/контрольные системы.
- Полупроводники: высокоточная спектрометрия, идентификация изотопов, лабораторная и низкоуровневая дозиметрия, персональные электронные дозиметры (диоды).
Вывод: выбор детектора зависит от задачи: для простого обнаружения и дешёвых мониторов — ГМ; для спектрометрии в полевых условиях — сцинтиллятор (NaI/LaBr3); для наилучшей энергорезолюции и точной дозиметрии — полупроводниковый (HPGe/Si) при допустимости требований по охлаждению/стоимости.