Детектор частиц. Детекторы элементарных частиц

Первая статья из обещанного цикла про то, чем я занимаюсь. В отличии от статей на историческую тематику, источников здесь проставлять не буду. Очень сомневаюсь, что кто-то захочет проверять мои слова по специальной литературе, в особенности, англоязычной.

Claus Grupen. Particle Detectors (Переведен на русский, гуглите; наш основной учебник)

К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика» (В чем-то устарел, но написано хорошо)

При написании этого цикла статей, исхожу из того, что читатель знает физику в объеме несколько большем, чем школьная программа. Например, институтский курс механики. Я честно старался сделать его максимально популярным, но кое-что знать все же надо.

Какие частицы регистрируются в детекторах

Здесь должны были быть несколько вводных слов про то, что все вещества состоят из атомов, а где-то в этих атомах скрываются элементарные частицы, и они такие маленькие, что, чтобы вытащить их оттуда, нужно строить большие установки. Таких слов здесь не будет, потому что это более-менее общеизвестная информация, которую учат в школе. Разных элементарных частиц очень много, они бывают составные и простые, то есть, фундаментальные.
Возможно, читатель в курсе, что такое кварки, лептоны и фундаментальные бозоны. Если нет, перед чтением можно просветиться . Но не обязательно. Потому что наблюдать в детекторах мы можем только те частицы, которые успевают долететь до них за время жизни. Из фундаментальных это: электрон, мюон, фотон, нейтрино . Гравитоны, по идее, тоже долетают, но поиск гравитационных волн - отдельная песня и не по нашей части. Можно наблюдать также составные частицы, сложенные из нескольких кварков. В приведенной таблице, составные частицы можно найти в разделах "мезоны" и "барионы". Мезон - связанное состояние двух кварков, барион - трех. Сюда не включены короткоживущие частицы, назвываемые резонансами: полное их перечисление заняло бы слишком много места.

Частицы, которые мы регистрируем в детекторах, могут иметь очень разные скорости, но, ясное дело, не больше скорости света. Двигаясь с околосветовой скоростью, частица может пролететь расстояние порядка 10^8 метров за секунду. Или, наоборот, несколько метров за 10^-8 секунд. Частица, время жизни которой составляет 10^-10 секунд, родившаяся в ускорителе, в точке взаимодействия пучков, не успеет пролететь те метры, которые отделяют ее от детектора, даже с учетом релятивистского замедления времени. Поэтому, из всех адронов практический интерес представляет только регистрация протонов, пионов (заряженных), каонов и нейтронов . Остальную картину событий следует восстанавливать уже по ним.

Калориметрия

Хотя первое, что вы слышали о физике элементарных частиц, скорее всего, связано с LHC, экспериментами с протонными пучками высоких энергий эта физика отнюдь не исчерпывается. Еще есть эксперименты с пучками электронов, есть нейтринные обсерватории. Но наиболее впечатляющая картинка - это как раз столкновение протонных пучков. В каждом пучке дофига (точное число зависит от установки) протонов, в каждом протоне три кварка, при столкновении они оказываются очень близко и мы можем видеть такую картину.

Ну, то есть, это реконструкция события. Каждая линия - это трек, траектория, по которой что-то двигалось. Распутать этот клубок - задача отдельная, но для начала его нужно хотя-бы просто видеть. Ведь, конечно же, никакой микроскоп не поможет человеческому глазу различить частицу размером 10^-13 метра, летящую с околосветовой скоростью. Но попадание такой частицы в свинцовую пластину, или хотя-бы просто слой воздуха при атмосферном давлении, вызывает последствия, которые мы уже можем наблюдать.

Попадая в слой вещества, частица будет отдавать энергию в результате различных процессов. Можно измерить энергию частицы, уловив ее достаточно толстым слоем. Детекторы, в которых это происходит, называются калориметрами. По специализации калориметры делятся на электромагнитные и адронные, по устройству - на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный калориметр - просто слой вещества. Гетерогенный (сэмплинг-калориметр) состоит из нескольких слоев, среди которых есть поглощающие и регистрирующие. Калориметр может использовать не только твердое тело, но и жидкость, и даже газ. То есть, слой может вообще не быть пластиной. Давайте разберемся, что происходит в калориметре.

Потери на ионизацию

Самый простой процесс, касающийся всех заряженных частиц, - ионизация. При ионизации, налетающая частица передает электрону атома вещества часть своей энергии, достаточную, чтобы он тоже покинул атом. Получатся уже две частицы, каждая из которых, в свою очередь, может вызвать ионизацию. При этом, максимальная энергия, которую можно передать электрону в атоме, ограничена законами сохранения.

Речь идет только о кинетической энергии, ведь электрон в атоме уже существует, и на его рождение энергия не расходуется. Здесь E - полная энергия налетающей частицы, р - ее импульс, m - масса. Остальное - бета- и гамма- факторы налетающей частицы, масса электрона и скорость света. Таким образом, энергия, которую электрону может передать налетающая частица, тем меньше, чем меньше ее масса. При этом, чем больше энергия, тем меньше разница, и в ультрарелятивистском случае электрону можно передать всю энергию. Особую роль играют налетающие электроны, для которых формула упрощается, переходя в классическую формулу для центрального столкновения частиц равной масы. Максимальная передаваемая кинетическая энергия входит в приближенную формулу Бете-Блоха, которой описываются потери частиц на ионизацию.


К составлена из констант. Икс обозначает длину, домноженную на плотность. Z и А - это зарядовое и атомное числа, I - средняя энергия ионизации. Эти параметры характеризуют конкретное вещество. Зависимость от энергии налетающей частицы задается неявно бета- и гамма- факторами. Бета-фактор - это скорость частицы в единицах скорости света. Гамма-фактор - он же лоренц-фактор - известный множитель из релятивистской кинематики. При росте энергии частицы, бета-фактор стремится к единице, а гамма-фактор - к бесконечности. В области, где бета-фактор существенно отличается от единицы, гамма-фактор мал. Пока скорость далека от световой, обратная пропорциональность квадрату скорости определяет поведение функции потерь энергии. Это можно понимать так, что быстрая частица проводит меньше времени в кулоновском поле ядра, и ее сложнее захватить. Когда скорость приближается к световой, бета-фактор почти не меняется, а гамма-фактор быстро растет, и определяющим становится логарифмический член. То есть, возрастание сечения взаимодействия для более энергичных частиц. Получается как-то так.

На этой картинке можно видеть, что дает формула Бете-Блоха для различных веществ и частиц. Действительно, если параметры вещества входят в разных местах, то масса частицы - только в одном. Поэтому ось, по которой отложено произведение бета- и гамма- факторов, то есть, приведенный импульс, можно просто сдвигать. При этом, чем тяжелее частица, тем сильнее придется ее сдвинуть, а шкала логарифмическая. То есть, с ростом энергии, минимум ионизации для мюонов наступает гораздо быстрее, чем для электронов. Для протонов, вроде бы, не быстрее. Только вот протон сам по себе в две тысячи раз тяжелее электрона и почти в десять раз тяжелее мюона, так что в абсолютных величинах импульса шкала будет сдвинута так же, как и с мюоном или пионом.

Тормозное излучение

Потери на ионизацию доминируют для частиц низкой энергии. Это упругие взаимодействия, в результате которых никаких новых частиц не рождается. Однако, взаимодействие быстрой заряженной частицы с кулоновским полем ядра может порождать фотоны. Процесс называется тормозным излучением. Фотон уносит энергию и сам может взаимодействовать с веществом. Потери энергии на тормозное излучение задаются выражением:

Z, A - то же, что и выше; z,m, Е - заряд, масса и энергия налетающей частицы. Потери на тормозное излучение линейно зависят от Е, в силу чего, доминируют при высоких энергиях. Но численно они обратно пропорциональны квадрату массы налетающей частицы. Вспомним еще раз, что мюон и пион на два порядка тяжелее электрона, а протон - на три. Что дает, соответственно, четыре и шесть порядков разницы. Поэтому как ионизация, так и тормозное излучнение, хорошо работают для электрона, который при прохождении через вещество порождает настоящие ливни частиц: фотонов и электронов. Чтобы эффективно детектировать массивные частицы, приходится искать другие способы. Пион и протон участвуют в сильных взаимодействиях, а вот с мюоном такой номер не проходит. Остается увеличить установку во много раз.


Сектор детектора CMS , чтобы оценить масштаб проблемы. Зеленого слоя достаточно, чтобы свою энергию потеряли электроны. Желтого хватит для адронов. Все, что дальше - мюонная система.

Фотоны и электромагнитные ливни

Фотон - квант света. Свет тот же, что видим человеческим глазом, только энергии (и частоты) другие. Фотон таких энергий при попадании в глаз запустит много нехороших процессов. Основные из них:

1. Фотоэлектрический эффект - испускание электронов атомами глаза. Доминирует при низких энергиях.


2. Комптон-эффект - упругое рассеивание фотона на электронах, входящих в состав атомов глаза. Доминирует при средних энергиях.


3. Прямое рождение электрон-позитронных пар в кулоновском поле атома глаза. Доминирует при высоких энергиях.

В общем, глаз, засунутый в ускоритель, не только гамма-кванта не увидит, но, скорее всего, больше ничего никогда не увидит. Конкретный фотон взаимодействует только два раза в жизни: при рождении и поглощении. Но выйти из ливня, не породив новых частиц, он может только если его энергии недостаточно даже для фотоэффекта. Тогда фотон поглотится электроном атома, переведя его в возбужденное состояние. В простейшей модели ливня, где на каждом следующем шаге получаются две частицы, каждый шаг уменьшает среднюю энергию частицы вдвое. Соответственно, десять шагов уменьшат ее на три порядка. Энергии переходов с одной орбиты на другую - несколько эВ. Энергия первоначального фотона (или электрона) может составлять несколько МэВ и даже ГэВ. То есть, чтобы ливень начал затухать, должно пройти двадцать-тридцать шагов, а в особо запущенных (в смысле, мощную установку запустили) случаях - еще больше.

Характерный размер одного шага задается радиационной длиной - средней длиной на которой электрон теряет (1-1/e) своей энергии на тормозное излучение или 7/9 средней длины свободного пробега фотона между рождениями пар. Радиационная длина измеряется в тех же единицах, что и икс в формулах потерь на ионизацию и тормозное излучение. Чтобы перевести ее в привычные сантиметры, нужно поделить на плотность. Электромагнитный ливень может развиваться на десятки радиационных длин. Радиационная длина, обычно, исчисляется в десятках грамм на сантиметр квадратный. В пересчете на сантиметры, результат может быть очень разным, потому что плотности у веществ разные. Так электромагнитный ливень в атмосфере может развиваться на многих километрах, а толщина пластинки из свинца, достаточной для точной калориметрии МэВ-ных электронов, не превысит нескольких десятков сантиметров.

Естественно, радиационная длина, вычисленная для мюона, протона или пиона, была бы другой из-за разницы в массе. На практике, это означало бы, что тот же свинцовый калориметр толщиной 10 см (около 20-ти рад.длин) пион пролетал бы, не заметив. В то время как электрон неизбежно породил бы ливень, который успел бы развиться и затухнуть. Таким образом, калориметры для тяжелых частиц нужно строить гораздо больше.

Адронные ливни

Протоны и пионы удается поймать за счет того, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Если электромагнитное взаимодействие происходило в кулоновском поле атома, сильное происходит в поле ядерных сил. Большинство происходящих там процессов неупругие, то есть, исходная частица поглощается, рождая несколько других. Однако, есть и процессы упругого рассеяния.

При этом могут рождаться не только адроны, но также фотоны и электроны, которые породят электромагнитные ливни. Могут вылетать частицы, состоящие из нескольких адронов, например, всем известная альфа-частица, ядро гелия. Примерно одна пятая часть энергии налетающей частицы уходит в "невидимую" энергию ядерных связей, которая не регистрируется в калориметре.


Схема адронного каскада в поглотителе. Видны электромагнитные ливни, порожденные пи0-мезонами

Размер адронного ливеня характеризуется ядерной длиной, которая, для тяжелых атомов, на порядок больше радиационной. Это печально, но альтернатива - четыре-шесть порядков разницы в потерях на тормозное излучение. Поэтому энергия частиц, участвующих в сильном взаимодействии, измеряется таким способом. Точная калориметрия адронов затруднена большими флуктуациями в развитии ливня. Приходится изобретать специальные процедуры взвешивания, чтобы решить эту проблему. Тем не менее, энергетическое разрешение лучших адронных калориметров не превышает 35%, деленных на корень из энергии. Что на порядок хуже типичных значений для электромагнитных калориметров.

Детекторы для радиационной защиты

Детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц

• Детектор черенковского излучения
• Газовый ионизационный детектор

Детекторы для экспериментов на встречных пучках

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится не только к различного типа датчикам для регистрации частиц, но и к большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя также инфраструктуру для поддержания их работоспособности (криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и первичной обработки данных, вспомогательные системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими международными группами.

Поскольку постройка большой установки требует значительных финансовых затрат и человеческих усилий, в большинстве случаев она применяется не для одной определенной задачи, а для целого спектра различных измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору для экспериментов на ускорителе являются:

• Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными параметрами)
• Способность к разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов , каонов , протонов и т. д.)
• Способность точного измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состояний.
• Способность точного измерения энергии фотонов .

Для специфических задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Необходимость выполнения этих условий приводит к типичной на сегодняшний день схеме универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую схему принято сравнивать с луковицей (onion-like structure). В направлении от центра (области взаимодействия пучков) к периферии типичный детектор для ускорителя на встречных пучках состоит из следующих систем:

Трековая система

Трековая система предназначена для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное поле, что приводит к искривлению траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс и знак заряда.

Трековая система обычно выполняется на основе газовых ионизационных детекторов или полупроводниковых кремниевых детекторов.

Система идентификации

Система идентификации позволяет отделить друг от друга различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации чаще всего заключается в измерении скорости пролета частицы одним из трех способов:

• по углу излучения черенковского света в специальном радиаторе (а также по самому факту наличия или отсутствия черенковского излучения),
• по времени пролета до точки регистрации,
• по плотности удельной ионизации вещества.

Совместно с измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках

• Детекторы на коллайдере LHC (CERN)
• Детекторы на коллайдере Tevatron
• Детекторы на электрон-позитронных коллайдерах
  • BaBar (коллайдер PEP-II, SLAC)
  • Belle (коллайдер KEKB, KEK)
  • BES (коллайдер BEPC, Пекин)
  • CLEO (коллайдер CESR)
  • КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Новосибирск)
  • КМД, СНД (коллайдер ВЭПП-2М, ВЭПП-2000 , Новосибирск)

Прикладное применение

Помимо научных экспериментов, детекторы элементарных частиц находят применение и в прикладных задачах - в медицине (рентгеновские аппараты с малой дозой облучения, томографы , лучевая терапия), материаловедении (дефектоскопия), для предполетного досмотра пассажиров и багажа в аэропортах.

Напишите отзыв о статье "Детектор элементарных частиц"

Литература

• K. Групен. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск. Сибирский хронограф, 1999.
• Grupen, C. (June 28-July 10 1999). "Physics of Particle Detection". AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536 : 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI :.
• Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений / В. К. Ляпидевский.. - М .: Атомиздат, 1973. - 179 с.

• Николаев, В. А. Твердотельные трековые детекторы в радиационных исследованиях / Николаев, В. А.. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 284 с. - ISBN 978-5-7422-3530-9 .

• Пропорциональные и дрейфовые камеры / Международное совещание по методике проволочных камер (17 - 20 июня 1975 ; Дубна) .. - Шаблон:Дубна : Изд-во Объед. инст. яд. исслед., 1975. - 344 с. - ISBN 978-5-7422-3530-9 .

• Акимов, Ю. К. Газовые детекторы ядерных излучений. - Шаблон:Дубна. : ОИЯИ, 2011. - 243 с. - ISBN 978-5-9530-0272-1 .

Отрывок, характеризующий Детектор элементарных частиц

Он продолжал свой дневник, и вот что он писал в нем за это время:
«24 ro ноября.
«Встал в восемь часов, читал Св. Писание, потом пошел к должности (Пьер по совету благодетеля поступил на службу в один из комитетов), возвратился к обеду, обедал один (у графини много гостей, мне неприятных), ел и пил умеренно и после обеда списывал пиесы для братьев. Ввечеру сошел к графине и рассказал смешную историю о Б., и только тогда вспомнил, что этого не должно было делать, когда все уже громко смеялись.
«Ложусь спать с счастливым и спокойным духом. Господи Великий, помоги мне ходить по стезям Твоим, 1) побеждать часть гневну – тихостью, медлением, 2) похоть – воздержанием и отвращением, 3) удаляться от суеты, но не отлучать себя от а) государственных дел службы, b) от забот семейных, с) от дружеских сношений и d) экономических занятий».
«27 го ноября.
«Встал поздно и проснувшись долго лежал на постели, предаваясь лени. Боже мой! помоги мне и укрепи меня, дабы я мог ходить по путям Твоим. Читал Св. Писание, но без надлежащего чувства. Пришел брат Урусов, беседовали о суетах мира. Рассказывал о новых предначертаниях государя. Я начал было осуждать, но вспомнил о своих правилах и слова благодетеля нашего о том, что истинный масон должен быть усердным деятелем в государстве, когда требуется его участие, и спокойным созерцателем того, к чему он не призван. Язык мой – враг мой. Посетили меня братья Г. В. и О., была приуготовительная беседа для принятия нового брата. Они возлагают на меня обязанность ритора. Чувствую себя слабым и недостойным. Потом зашла речь об объяснении семи столбов и ступеней храма. 7 наук, 7 добродетелей, 7 пороков, 7 даров Святого Духа. Брат О. был очень красноречив. Вечером совершилось принятие. Новое устройство помещения много содействовало великолепию зрелища. Принят был Борис Друбецкой. Я предлагал его, я и был ритором. Странное чувство волновало меня во всё время моего пребывания с ним в темной храмине. Я застал в себе к нему чувство ненависти, которое я тщетно стремлюсь преодолеть. И потому то я желал бы истинно спасти его от злого и ввести его на путь истины, но дурные мысли о нем не оставляли меня. Мне думалось, что его цель вступления в братство состояла только в желании сблизиться с людьми, быть в фаворе у находящихся в нашей ложе. Кроме тех оснований, что он несколько раз спрашивал, не находится ли в нашей ложе N. и S. (на что я не мог ему отвечать), кроме того, что он по моим наблюдениям не способен чувствовать уважения к нашему святому Ордену и слишком занят и доволен внешним человеком, чтобы желать улучшения духовного, я не имел оснований сомневаться в нем; но он мне казался неискренним, и всё время, когда я стоял с ним с глазу на глаз в темной храмине, мне казалось, что он презрительно улыбается на мои слова, и хотелось действительно уколоть его обнаженную грудь шпагой, которую я держал, приставленною к ней. Я не мог быть красноречив и не мог искренно сообщить своего сомнения братьям и великому мастеру. Великий Архитектон природы, помоги мне находить истинные пути, выводящие из лабиринта лжи».
После этого в дневнике было пропущено три листа, и потом было написано следующее:
«Имел поучительный и длинный разговор наедине с братом В., который советовал мне держаться брата А. Многое, хотя и недостойному, мне было открыто. Адонаи есть имя сотворившего мир. Элоим есть имя правящего всем. Третье имя, имя поизрекаемое, имеющее значение Всего. Беседы с братом В. подкрепляют, освежают и утверждают меня на пути добродетели. При нем нет места сомнению. Мне ясно различие бедного учения наук общественных с нашим святым, всё обнимающим учением. Науки человеческие всё подразделяют – чтобы понять, всё убивают – чтобы рассмотреть. В святой науке Ордена всё едино, всё познается в своей совокупности и жизни. Троица – три начала вещей – сера, меркурий и соль. Сера елейного и огненного свойства; она в соединении с солью, огненностью своей возбуждает в ней алкание, посредством которого притягивает меркурий, схватывает его, удерживает и совокупно производит отдельные тела. Меркурий есть жидкая и летучая духовная сущность – Христос, Дух Святой, Он».
«3 го декабря.
«Проснулся поздно, читал Св. Писание, но был бесчувствен. После вышел и ходил по зале. Хотел размышлять, но вместо того воображение представило одно происшествие, бывшее четыре года тому назад. Господин Долохов, после моей дуэли встретясь со мной в Москве, сказал мне, что он надеется, что я пользуюсь теперь полным душевным спокойствием, несмотря на отсутствие моей супруги. Я тогда ничего не отвечал. Теперь я припомнил все подробности этого свидания и в душе своей говорил ему самые злобные слова и колкие ответы. Опомнился и бросил эту мысль только тогда, когда увидал себя в распалении гнева; но недостаточно раскаялся в этом. После пришел Борис Друбецкой и стал рассказывать разные приключения; я же с самого его прихода сделался недоволен его посещением и сказал ему что то противное. Он возразил. Я вспыхнул и наговорил ему множество неприятного и даже грубого. Он замолчал и я спохватился только тогда, когда было уже поздно. Боже мой, я совсем не умею с ним обходиться. Этому причиной мое самолюбие. Я ставлю себя выше его и потому делаюсь гораздо его хуже, ибо он снисходителен к моим грубостям, а я напротив того питаю к нему презрение. Боже мой, даруй мне в присутствии его видеть больше мою мерзость и поступать так, чтобы и ему это было полезно. После обеда заснул и в то время как засыпал, услыхал явственно голос, сказавший мне в левое ухо: – „Твой день“.
«Я видел во сне, что иду я в темноте, и вдруг окружен собаками, но иду без страха; вдруг одна небольшая схватила меня за левое стегно зубами и не выпускает. Я стал давить ее руками. И только что я оторвал ее, как другая, еще большая, стала грызть меня. Я стал поднимать ее и чем больше поднимал, тем она становилась больше и тяжеле. И вдруг идет брат А. и взяв меня под руку, повел с собою и привел к зданию, для входа в которое надо было пройти по узкой доске. Я ступил на нее и доска отогнулась и упала, и я стал лезть на забор, до которого едва достигал руками. После больших усилий я перетащил свое тело так, что ноги висели на одной, а туловище на другой стороне. Я оглянулся и увидал, что брат А. стоит на заборе и указывает мне на большую аллею и сад, и в саду большое и прекрасное здание. Я проснулся. Господи, Великий Архитектон природы! помоги мне оторвать от себя собак – страстей моих и последнюю из них, совокупляющую в себе силы всех прежних, и помоги мне вступить в тот храм добродетели, коего лицезрения я во сне достигнул».
«7 го декабря.
«Видел сон, будто Иосиф Алексеевич в моем доме сидит, я рад очень, и желаю угостить его. Будто я с посторонними неумолчно болтаю и вдруг вспомнил, что это ему не может нравиться, и желаю к нему приблизиться и его обнять. Но только что приблизился, вижу, что лицо его преобразилось, стало молодое, и он мне тихо что то говорит из ученья Ордена, так тихо, что я не могу расслышать. Потом, будто, вышли мы все из комнаты, и что то тут случилось мудреное. Мы сидели или лежали на полу. Он мне что то говорил. А мне будто захотелось показать ему свою чувствительность и я, не вслушиваясь в его речи, стал себе воображать состояние своего внутреннего человека и осенившую меня милость Божию. И появились у меня слезы на глазах, и я был доволен, что он это приметил. Но он взглянул на меня с досадой и вскочил, пресекши свой разговор. Я обробел и спросил, не ко мне ли сказанное относилось; но он ничего не отвечал, показал мне ласковый вид, и после вдруг очутились мы в спальне моей, где стоит двойная кровать. Он лег на нее на край, и я будто пылал к нему желанием ласкаться и прилечь тут же. И он будто у меня спрашивает: „Скажите по правде, какое вы имеете главное пристрастие? Узнали ли вы его? Я думаю, что вы уже его узнали“. Я, смутившись сим вопросом, отвечал, что лень мое главное пристрастие. Он недоверчиво покачал головой. И я ему, еще более смутившись, отвечал, что я, хотя и живу с женою, по его совету, но не как муж жены своей. На это он возразил, что не должно жену лишать своей ласки, дал чувствовать, что в этом была моя обязанность. Но я отвечал, что я стыжусь этого, и вдруг всё скрылось. И я проснулся, и нашел в мыслях своих текст Св. Писания: Живот бе свет человеком, и свет во тме светит и тма его не объят. Лицо у Иосифа Алексеевича было моложавое и светлое. В этот день получил письмо от благодетеля, в котором он пишет об обязанностях супружества».

2.1. Газоразрядные детекторы. Счетчики Гейгера-Троста, пропорциональные счетчики, ионизационные камеры. Сцинтилляционные счетчики.

2.2. Черенковские счетчики. Полупроводниковые счетчики.

2.3. Трековые детекторы с фильмовым съемом информации. Камера Вильсона, пузырьковые камеры, искровые и стримерные камеры. Метод ядерных фотоэмульсий.

2.4. Бесфильмовые камеры. Пропорциональные и дрейфовые камеры. Годоскопические системы из сцинтилляционных и черенковских счетчиков.

Методы измерений и математической обработки данных

3.1. Методы спектрометрических измерений. Магнитные спектрометры. Спектрометрические тракты измерений с полупроводниковыми и сцинтилляционными счетчиками с выводом данных на ЭВМ. Методы изображения многомерных спектров.

3.2. Дозиметрические измерения. Допустимые потоки излучений. Способы защиты.

3.3. Методы автоматической обработки фотографий трековых приборов. Механико-оптические и электронные системы сканирования с выводом данных на ЭВМ.

3.4. Физические установки с автоматическим выводом данных на ЭВМ. Типы накопительных устройств. Использование разных классов ЭВМ для приема, предварительной обработки и накопления информации, а также для контроля и управления.

Методы обработки экспериментальных данных

4.1. Основные понятия математической статистики. Теория статистических оценок и проверки гипотез. Метод максимального правдоподобия. Планирование эксперимента.

4.2. Системы математических программ обработки и анализа физических результатов. Геометрическая реконструкция пучков частиц. Система распознавания определенного класса событий. Анализ физических результатов.

VIII. Основные сведения
по экспериментальной ядерной физике

Основные свойства элементарных частиц

1.1. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях; уравнения движения.

1.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Ионизационные потери и пробег тяжелых заряженных частиц; прохождение бета-частиц через вещество. Взаимодействие нейтральных частиц с веществом.

1.3. Элементарные частицы и ядра. Основные характеристики ядер. Физические свойства частиц: заряды, масса, спин, четность, изоспин. Времена жизни частиц.

Методы регистрации элементарных частиц

2.1. Методы регистрации заряженных и нейтральных частиц.

2.2. Газонаполненные счетчики и их типы. Ионизационные камеры. Газонаполненные камеры с оптическим методом съема информации. Искровые и стримерные камеры.

2.3. Газонаполненные камеры с электронными методами съема информации. Многопроволочные искровые, пропорциональные и дрейфовые камеры.

2.4. Сцинтилляционные и черенковские детекторы. Фотоумножители.

2.5. Полупроводниковые детекторы. Позиционно-чувствительные
детекторы.

2.6. Регистрация частиц с помощью пузырьковых камер.

Статистическая обработка результатов измерений

3.1. Основы теории вероятностей. Случайные величины. Основные законы распределения случайных величин: биномиальное распределение Пуассона, распределение Гаусса.

3.2. Основы теории ошибок измерений.

3.3. Основы теории просчетов регистрирующих систем.

IX. Общая радиоэлектроника и вычислительная техника
(по технической отрасли науки)

Методы расчета электрических цепей и схем

1.1. Анализ линейных электрических цепей. Эквивалентные схемы. Законы Кирхгофа, теорема об эквивалентном генераторе, метод узловых потенциалов, метод контурных токов. Четырехполюсники.

1.2. Анализ электрических сигналов. Дельта-функция и ступенчатая функция. Преобразование Фурье.

1.3. Передача сигналов через линейные системы. Дифференциальные уравнения, описывающие процессы в электрических цепях. Импульсная характеристика линейной системы. Интеграл суперпозиции. Формула свертывания. Передаточная функция. Переходные процессы в длинных цепях.

1.4. Основы операционного исчисления. Преобразование Лапласа.

1.5. Основы алгебры логики. Составление логических электронных схем.

Полупроводниковые приборы

2.1.Физические принципы работы полупроводниковых приборов. Их классификация.

2.2. Полупроводниковые диоды. Принцип действия, основные характеристики, параметры и режимы работы. Разновидности диодов: импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, туннельные диоды, стабилитроны, светоизлучающие диоды и др. Примеры применения.

2.3. Биполярные транзисторы. Принцип действия, основные характеристики, параметры и режимы работы. Схемы включения, эквивалентные схемы, работа в линейном и ключевом режимах. Разновидности триодов. Примеры их применения.

2.4. Полевые транзисторы. Принцип действия, разновидности полевых транзисторов. Основные характеристики, параметры и режимы работы. Примеры применения.

2.5. Другие разновидности полупроводниковых приборов: динистор, тиристор, однопереходный транзистор и др. Их основные характеристики и параметры. Примеры применения.

Интегральные схемы

3.1. Гибридные и монолитные интегральные схемы. Монолитные интегральные схемы на основе биполярных и МДП-транзисторов, их особенности. Технология изготовления интегральных схем различных типов.

3.2. Аналоговые интегральные схемы: дифференциальные и операционные усилители, регуляторы напряжения, преобразователи код-аналог и аналог-код. Их основные параметры, примеры применения.

3.3. Логические интегральные схемы. Их классификация по схемо-техническому исполнению. Основные параметры. Быстродействие схем. Система логических элементов. Типы триггеров. Примеры применения.

3.4. Интегральные схемы со средней степенью интеграции: счетчики, регистры, коммутаторы, дешифраторы, сумматоры и др.

3.5. Интегральные схемы с большой степенью интеграции: сложные логические устройства, запоминающие устройства, микропроцессоры и др. Пути дальнейшего повышения степени интеграции.

В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей). Сначала рассмотрим детекторы рентгеновского и гамма-излучения, а затем детекторы заряженных частиц.

Детекторы рентгеновского и гамма-излучения.

Рис. 15.19. Пропорциональный счетчик частиц.

Ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера. Эти детекторы состоят из цилиндрической (как правило) камеры, имеющей в диаметре несколько сантиметров, и проходящего в центре тонкого провода. Камера бывает заполнена каким-либо газом или смесью газов. С одной стороны имеется узкое «окошко» из материала, пропускающего интересующее вас излучение (пластик, бериллий и т.п.). Центральный провод имеет положительный потенциал и подключается к некоторой электронной схеме. Типичная конструкция такого детектора представлена на рис. 15.19.

Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 В энергии в расчете на создаваемую им пару электрон-ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение. В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения. Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно. В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины). В данном случае вы получаете хороший большой выходной импульс, но не имеете никакой информации об энергии рентгеновского излучения.

В разд. 15.16 вы познакомитесь с интересным прибором, называемым анализатором ширины импульсов, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму. Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью такого прибора получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.

Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от до . Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15% при значении энергии (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются высоким быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 000 имп/с).

Сцинтилляторы. Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электрон-позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем.

Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия с примесью талия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ (разд. 15.16). Обычно кристалл обеспечивает разрешение порядка 6% при значении энергии 1,3 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад ) и используется в энергетическом диапазоне от до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка , следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе, имеющем окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится интегральный фотоумножитель.

В сцинтилляторах используют также пластики (органические материалы), которые отличаются тем, что они очень недороги. Разрешение у них хуже, чем у иодида натрия, и используют их в основном в тех случаях, когда имеют дело с энергией выше 1 МэВ. Световые импульсы получаются очень короткими - их длительность составляет примерно 10 не. В биологических исследованиях в качестве сцинтилляторов используют жидкости («коктейли»). При этом материал, исследуемый на радиоактивность, примешивается к «коктейлю», который помещается в темную камеру с фотоумножителем. В биологических лабораториях можно встретить очень красивые приборы, в которых процесс автоматизирован; в них через камеру счетчика одна за другой помещаются различные ампулы и регистрируются результаты.

Детекторы на твердом теле. Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником. Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон-ион, значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более представительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.

Выпускают несколько разновидностей детекторов на твердом теле: на основе (называются ), («жил-ли») и чистого германия (или IG), отличающихся друг от друга материалом полупроводника и примесей, используемых для того, чтобы обеспечить изолирующие свойства. Все они работают при температуре жидкого азота , и все типы полупроводников с примесью лития нужно постоянно держать в холодном состоянии (повышенная температура влияет на детектор так же плохо, как на свежую рыбу). Типовые детекторы на основе имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до . Детекторы на основе и IG используют при работе с более высокими значениями энергии, от до 10 МэВ. Хорошие детекторы на основе обладают разрешением 150 эВ при значении энергии разрешение в 6-9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка при значении энергии 1,3 МэВ .

Рис. 15.20. Рентгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе .

Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, мы бомбардировали лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировали полученный рентгеновский спектр. Это явление называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов. На рис. 15.20 показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов), каждому элементу соответствуют два видимых рентгеновских импульса, по крайней мере при использовании детектора на основе . На графике можно видеть железо, никель и хром. Если нижнюю часть графика укрупнить, то можно будет увидеть и другие элементы. При использовании пропорционального счетчика получается «каша».

Рис. 15.21 иллюстрирует аналогичное положение для детекторов гамма-излучения.

Рис. 15.21. Гамма-спектр кобальта-60, полученный с помощью сцинтиллятора на основе иодида натрия и детектора на основе Ge(Li). (Из брошюры Canberra Ge(Li) Detector Systems фирмы Canberra Industries, Inc.)

Рис. 15.22. Криостат с датчиком . (С разрешения фирмы Canberra Industries, )

На этот раз сравниваются между собой сцинтиллятор на основе и датчик на основе . Этот график нам помогли получить коллеги из фирмы Canberra Industries. Выражаем благодарность мистеру Тенчу. Как и в предыдущем случае, преимущество в отношении разрешающей способности оказалось на стороне детекторов на твердом теле.

Детекторы на твердом теле обладают самым высоким энергетическим разрешением среди всех детекторов рентгеновского и гамма-излучения, но у них есть и недостатки: маленькая активная область в большом и неуклюжем корпусе (см., например, рис. 15.22), относительно невысокое быстродействие (время восстановления составляет и более), высокая стоимость и, кроме того, для работы с ними нужно запастись большим терпением (но может быть вам и понравится нянчиться с «пожирателем» жидкого азота, кто знает).

Детекторы заряженных частиц.

Детекторы с поверхностным энергетическим барьером. Эти германиевые и кремниевые детекторы аналогичны детекторам из . Однако их не требуется охлаждать, а это намного упрощает конструктивное оформление прибора. (А у вас появляется шанс получить свободное время!) Детекторы с поверхностным энергетическим барьером выпускают с диаметрами от 3 до 50 мм. Их используют в энергетическом диапазоне от 1 МэВ до сотен МэВ, они обладают разрешением от 0,2 до 1% при значении энергии альфа-частиц, равном 5,5 МэВ (распространенная энергетическая калибровка, которая обеспечивается при распаде америция-241).

Детекторы Черенкова. При очень высоких значениях энергии (1 ГэВ и выше) заряженная частица может опередить свет в материальной среде и вызвать излучение Черенкова, «видимую ударную волну». Они находят широкое применение при экспериментах в физике высоких энергий.

Ионизационные камеры. Классическую газонаполненную камеру, которую мы рассмотрели выше в связи с рентгеновским излучением, можно использовать также в качестве детектора заряженных частиц. Простейшая ионизационная камера состоит из камеры, заполненной аргоном, и проходящего по всей ее длине провода. В зависимости от того, для работы с какими энергиями предназначена камера, ее длина может составлять от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; в некоторых разновидностях прибора используют не один, а несколько проводов или пластин и другие газы-наполнители.

Душевые камеры. Душевая камера является электронным эквивалентом ионизационной камеры. Электрон попадает в камеру, заполненную жидким аргоном, и создает «душ» из заряженных частиц, которые затем притягиваются к заряженным пластинам.

Специалисты в области физики высоких энергий любят называть такие приборы калориметрами.

Сцинтилляционные камеры. Заряженную частицу можно обнаружить с очень хорошим энергетическим разрешением с помощью фотоумножителей по ультрафиолетовым вспышкам, которые возникают при движении заряженной частицы в камере, заполненной жидким или газообразным аргоном или ксеноном. Сцинтилляционные камеры обладают более высоким быстродействием по сравнению с ионизационными и душевыми камерами.

Дрейфовые камеры. Это новейшее достижение в области физики высоких энергий, которое обусловлено успехами в области быстродействующих диалоговых вычислительных систем. Концепция их проста: камера, в которой под атмосферным давлением находится газ (обычная смесь аргона с этаном) и множество проводов с приложенным к ним напряжением. В камере действуют электрические поля, и когда в нее попадает заряженная частица, ионизирующая газ, ионы оказываются в сфере действия проводов. Отслеживаются амплитуды сигналов и моменты времени по всем проводам (вот здесь и приходит на помощь ЭВМ), и на основе этой информации строится траектория движения частицы. Если в камере действует еще магнитное поле, то можно также определить количество движения.

Дрейфовая камера завоевала положение универсального детектора заряженных частиц для физики высоких энергий. Она может обеспечить пространственное разрешение порядка 0,2 мм и выше для объемов, которые могут вместить даже вас.

В русскоязычной научной и учебной литературе известно очень мало изданий по тематике этой книги, и они уже давно стали библиографической редкостью.
Данное издание выгодно отличает полнота изложения принципов работы детекторных систем, систематичность описания их технического устройства и практической реализации, а также обсуждение области их применения.
Книга содержит обширную библиографию (более 600 ссылок на книжные издания и оригинальные статьи в современных физических журналах) и глоссарий, включающий сжатую информацию об области применения, достоинствах и недостатках каждого из рассмотренных типов детекторов.
Это прекрасное учебное и справочное руководство для всех, кто применяет детекторы излучений и элементарных частиц в своей практической деятельности.

Взаимодействие частиц и излучения с веществом.
Частицы и излучение не могут быть зарегистрированы непосредственно, а лишь через их взаимодействие с веществом. Взаимодействия заряженных частиц, вообще говоря, отличаются от взаимодействий нейтральных частиц, например, фотонов. Каждый процесс взаимодействия может быть основой для некоторого вида детектирования. Существует множество различных типов взаимодействий и, как следствие, большое количество детекторов частиц и излучения. Кроме того, для одной и той же частицы при разных энергиях существенную роль могут играть разные типы взаимодействия.

В этой главе будут подробно рассмотрены основные механизмы взаимодействия частиц с веществом. Некоторые эффекты будут упомянуты при описании конкретных типов детекторов. Мы не будем выводить выражения для сечений из первых принципов, а приведем лишь окончательные результаты в том виде, в котором они применяются для детекторов частиц.

Содержание
Предисловие редакторов перевода Предисловие к русскому изданию Предисловие автора Вступление
1 Взаимодействие частиц и излучения с веществом
1.1 Взаимодействие заряженных частиц с веществом
1.1.1 Потери энергии на ионизацию и возбуждение
1.1.2 Удельная ионизация
1.1.3 Многократное рассеяние
1.1.4 Тормозное излучение
1.1.5 Прямое рождение электрон-позитронных пар
1.1.6 Потери энергии на фотоядерные взаимодействия
1.1.7 Полные потери энергии
1.1.8 Соотношение пробег-энергия для заряженных частиц
1.2 Взаимодействие фотонов
1.2.1 Фотоэффект
1.2.2 Комптон-эффект
1.2.3 Рождение пар
1.2.4 Полное сечение поглощения фотонов
1.3 Сильное взаимодействие адронов
1.4 Дрейф и диффузия в газах
2 Основные характеристики детекторов частиц
3 Единицы измерения излучения
4 Детекторы для ионизационных и трековых измерений
4.1 Ионизационные камеры
4.2 Пропорциональные счетчики
4.3 Счетчики Гейгера
4.4 Стримерные трубки
4.5 Регистрация частиц в жидкостях
4.6 Многопроволочные пропорциональные камеры
4.7 Плоские дрейфовые камеры
4.8 Цилиндрические проволочные камеры
4.8.1 Цилиндрические пропорциональные и дрейфовые камеры
4.8.2 Струйные дрейфовые камеры
4.8.3 Времяпроекционные камеры (ВПК)
4.9 Времяпроекционные камеры с оптическим съемом
4.10 Эффекты старения в проволочных камерах
4.11 Пузырьковые камеры
4.12 Камеры Вильсона
4.13 Стримерные камеры
4.14 Камеры на разрядных трубках
4.15 Искровые камеры
4.16 Ядерные эмульсии
4.17 Кристаллы галоидного серебра
4.18 Рентгеновские пленки
4.19 Термолюминесцентные детекторы
4.20 Радиофотолюминесцентные детекторы
4.21 Пластиковые детекторы
4.22 Сравнение детекторов для ионизационных и трековых измерений
5 Временные измерения
5.1 Фотоумножители
5.2 Сцинтилляционные счетчики
5.3 Плоские искровые счетчики
6 Идентификация частиц
6.1 Нейтронные счетчики
6.2 Детекторы нейтрино
6.3 Счетчики времени пролета
6.4 Черенковские счетчики
6.5 Детекторы переходного излучения (ДПИ)
6.6 Разделение по энергетическим потерям
6.7 Сравнение методов идентификации частиц
7 Измерение энергии
7.1 Твердотельные детекторы
7.2 Калориметры электронов и фотонов
7.3 Адронные калориметры
7.4 Идентификация частиц в калориметрах
7.5 Калибровка и мониторирование калориметров
7.6 Криогенные калориметры
8 Измерение импульса
8.1 Магнитные спектрометры для экспериментов с фиксированной мишенью
8.2 Магнитные спектрометры для специальных приложений
9 Электроника
10 Обработка информации
Приложение А: таблица фундаментальных физических констант
Приложение Б: определение физических величин и их единицы
Список литературы
Алфавитный указатель.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Детекторы элементарных частиц, Справочное издание, Групен К., 1999 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.