Детектор частинок. Фізичні принципи детектування елементарних частинок

2.1. Газорозрядні детектори. Лічильники Гейгера-Троста, пропорційні лічильники, іонізаційні камери. Сцинтиляційні лічильники.

2.2. Черенківські лічильники. Напівпровідникові лічильники.

2.3. Трекові детектори з фільмовим зніманням інформації. Камера Вільсона, бульбашкові камери, іскрові та стрімерні камери. Метод ядерних фотоемульсій.

2.4. Безфільм камери. Пропорційні та дрейфові камери. Годоскопічні системи із сцинтиляційних та черенківських лічильників.

Методи вимірювань та математичної обробки даних

3.1. Методи спектрометричних вимірів. Магнітні спектрометри. Спектрометричні тракти вимірювань із напівпровідниковими та сцинтиляційними лічильниками з виведенням даних на ЕОМ. Методи зображення багатовимірних спектрів.

3.2. Дозиметричні виміри. Допустимі потоки випромінювань. Методи захисту.

3.3. Методи автоматичного оброблення фотографій трекових приладів. Механіко-оптичні та електронні системисканування з виведенням даних на ЕОМ

3.4. Фізичні установки з автоматичним висновкомданих на ЕОМ. Типи накопичувальних пристроїв. Використання різних класівЕОМ для прийому, попередньої обробки та накопичення інформації, а також для контролю та управління.

Методи обробки експериментальних даних

4.1. Основні поняття математичної статистики. Теорія статистичних оцінок та перевірки гіпотез. Метод максимальної правдоподібності. Планування експерименту.

4.2. Системи математичних програм обробки та аналізу фізичних результатів. Геометрична реконструкція пучків частинок. Система розпізнавання певного класу подій. Аналіз фізичних результатів.

VIII. Основні відомості
з експериментальної ядерної фізики

Основні властивості елементарних частинок

1.1. Рух заряджених частинок в електричних та магнітних полях; рівняння руху.

1.2. Взаємодія заряджених частинок із речовиною. Іонізаційні втрати та пробіг важких заряджених частинок; проходження бета-частинок через речовину. Взаємодія нейтральних частинок із речовиною.

1.3. Елементарні частинки та ядра. Основні показники ядер. Фізичні властивостічастинок: заряди, маса, спин, парність, ізоспін. Часи життя частинок.

Методи реєстрації елементарних частинок

2.1. Методи реєстрації заряджених та нейтральних частинок.

2.2. Газонаповнені лічильники та їх типи. Іонізаційні камери. Газонаповнені камери з оптичним методомзнімання інформації. Іскрові та стрімерні камери.

2.3. Газонаповнені камери з електронними методамизнімання інформації. Багатодротяні іскрові, пропорційні та дрейфові камери.

2.4. Сцинтиляційні та черенківські детектори. Фотопомножувачі.

2.5. Напівпровідникові датчики. Позиційно-чутливі
детектори.

2.6. Реєстрація частинок за допомогою бульбашкових камер.

Статистична обробкарезультатів вимірів

3.1. Основи теорії ймовірностей. Випадкові величини. Основні закони розподілу випадкових величин: біномний розподілПуассон, розподіл Гаусса.

3.2. Основи теорії помилок вимірів.

3.3. Основи теорії прорахунків систем, що реєструють.

IX. Загальна радіоелектроніка та обчислювальна техніка
(з технічної галузі науки)

Методи розрахунку електричних ланцюгів та схем

1.1. Аналіз лінійних електричних кіл. Еквівалентні схеми. Закони Кірхгофа, теорема про еквівалентний генератор, метод вузлових потенціалів, метод контурних струмів. Чотириполюсники.

1.2. Аналіз електричних сигналів Дельта-функція та ступінчаста функція. Перетворення Фур'є.

1.3. Передача сигналів через лінійні системи. Диференційне рівняння, що описують процеси в електричних ланцюгах. Імпульсна характеристика лінійної системи. Інтеграл суперпозиції. Формула згортання. Передатна функція. Перехідні процеси у довгих ланцюгах.

1.4. Основи операційного обчислення. Перетворення Лапласу.

1.5. Основи логіки алгебри. Складання логічних електронних схем.

Напівпровідникові прилади

2.1.Фізичні принципироботи напівпровідникових приладів Їхня класифікація.

2.2. Напівпровідникові діоди. Принцип дії, основні характеристики, параметри та режими роботи. Різновиди діодів: імпульсні діоди, діоди з накопиченням заряду, тунельні діоди, стабілітрони, світловипромінюючі діоди та ін. Приклади застосування.

2.3. Біполярні транзистори. Принцип дії, основні характеристики, параметри та режими роботи. Схеми включення, еквівалентні схеми, робота в лінійному та ключовому режимах. Різновиди тріодів. Приклади застосування.

2.4. Польові транзистори. Принцип дії, різновиди польових транзисторів. Основні характеристики, параметри та режими роботи. Приклади застосування.

2.5. Інші різновиди напівпровідникових приладів: диністор, тиристор, одноперехідний транзистор та ін. Їх основні характеристики та параметри. Приклади застосування.

Інтегральні схеми

3.1. Гібридні та монолітні інтегральні схеми. Монолітні інтегральні схеми на основі біполярних та МДП-транзисторів, їх особливості. Технологія виробництва інтегральних схем різних типів.

3.2. Аналогові інтегральні схеми: диференціальні та операційні підсилювачі, регулятори напруги, перетворювачі код-аналог та аналог-код. Їхні основні параметри, приклади застосування.

3.3. Логічні інтегральні схеми. Їхня класифікація за схемо-технічним виконанням. Основні параметри. Швидкодія схем. Система логічних елементів. Типи тригерів. Приклади застосування.

3.4. Інтегральні схеми із середнім ступенем інтеграції: лічильники, регістри, комутатори, дешифратори, суматори та ін.

3.5. Інтегральні схеми з великим ступенемінтеграції: складні логічні пристрої, запам'ятовуючі пристрої, мікропроцесори та ін. подальшого підвищенняступеня інтеграції.

У гол. ХХІІІ ми познайомилися з приладами, що служать для виявлення мікрочастинок - камерою Вільсона, лічильником сцинтиляцій, газорозрядним лічильником. Ці детектори, хоч і застосовуються в дослідженнях елементарних частинок, проте не завжди зручні. Справа в тому, що найбільше цікаві процесивзаємодії, що супроводжуються взаємними перетвореннями елементарних частинок, відбуваються дуже рідко. Частка має зустріти на своєму шляху дуже багато нуклонів або електронів, щоб сталося цікаве зіткнення. Практично вона повинна пройти в щільній речовині шлях, що вимірюється десятками сантиметрів - метрами (у такому шляху заряджена частка з енергією в мільярди електрон-вольт втрачає внаслідок іонізації лише частину своєї енергії).

Однак у камері Вільсона або газорозрядному лічильнику чутливий шар (у перерахунку на щільну речовину) вкрай тонкий. У зв'язку з цим набули застосування деякі інші методи реєстрації частинок.

Дуже плідним виявився фотографічний метод. У спеціальних дрібнозернистих фотоемульсіях кожна заряджена частка, що перетинає емульсію, залишає слід, який після прояву платівки виявляється під мікроскопом у вигляді ланцюжка чорних зерен. За характером сліду, залишеного часткою фотоемульсії, можна встановити природу цієї частки - її заряд, масу, і навіть енергію. Фотографічний метод зручний не тільки через те, що можна використовувати товсті слон речовини, але й тому, що у фотопластинці, на відміну від камери Вільсона, сліди заряджених частинок не зникають невдовзі після прольоту частинки. При вивченні подій, що рідко трапляються, платівки можуть експонуватися. довгий час; це особливо корисно у дослідженнях космічних променів. Приклади рідкісних подій, відбитих у фотоемульсії, наведено вище на рис. 414, 415; особливо цікавий рис. 418.

Інший чудовий метод заснований на використанні властивостей перегрітих рідин (див. Том I, § 299). При нагріванні дуже чистої рідини до температури, навіть трохи більшої температурикипіння, рідина не закипає, оскільки поверхневе натяг перешкоджає утворенню бульбашок пари. Американський фізикДональд Глезер (р. 1926) помітив у 1952 р., що перегріта рідина миттєво закипає при досить інтенсивному опроміненні; додаткова енергія, що виділяється в слідах швидких електронів, створюваних у рідині -випромінюванням, забезпечує умови для утворення бульбашок.

На основі цього явища Глезер розробив так звану рідинну бульбашкову камеру. Рідина при підвищеному тиску нагрівається до температури близької, але меншої температури кипіння. Потім тиск, а з ним і температура кипіння знижуються, і рідина перегріта. Уздовж траєкторії зарядженої частки, що перетинає в цей момент рідина, формується слід бульбашок пари. При відповідному освітленні він може бути зображений фотоапаратом. Як правило, бульбашкові камери розташовують між полюсами сильного електромагніту, магнітне поле викривляє траєкторії частинок. Вимірюючи довжину сліду частинки, радіус його кривизни, щільність бульбашок можна встановити характеристики частки. Зараз бульбашкові камери досягли високої досконалості; працюють, наприклад, камери, заповнені рідким воднем, з чутливим об'ємом у декілька кубічних метрів. Приклади фотографій слідів частинок бульбашковій камерінаведено на рис. 416, 417, 419, 420.

Рис. 418. Перетворення частинок, зафіксовані у стосі фотоемульсій, опроміненої космічними променями. У точці невидима швидка нейтральна частка викликала розщеплення одного з ядер фотоемульсії та утворила мезони («зірка» з 21 сліду). Один з мезонів, -мезон, пройшовши шлях навколо (на знімку наведено лише початок і кінець сліду; при використаному на фотографії збільшенні довжина всього сліду була б), зупинився в точці і розпався за схемою . -мезон, слід якого спрямований вниз, у точці захопився ядром, викликавши його розщеплення. Одним з уламків розщеплення було ядро, яке шляхом-розпаду перетворилося на ядро, що миттєво розпадається на дві, що летять у протилежні сторони-Приватники - на знімку вони утворюють «молоток». -мезон, зупинившись, перетворився на -мюон (і нейтрино) (крапка). Закінчення сліду-мюона наведено у правому верхньому куткумалюнку; видно слід позитрона, утвореного при розпаді.

Рис. 419. Освіта та розпад-гіперонів. У водневій бульбашковій камері, що знаходилася в магнітному полі та опроміненою антипротонами, зафіксовано реакцію . Вона відбулася у точці закінчення сліду (див. схему у верхній частині малюнка). Нейтральні лямбда-і антилямбда-гіперони, пролетівши без утворення сліду невеликий шлях, розпадаються за схемами. Антипротон анігілює з протоном, утворюючи два і два-мезони-квантом на протоні; протон не дає видимого сліду, оскільки через великої масине отримує при взаємодії з -квантом достатньої енергії

У гол. ХХІІІ ми познайомилися з приладами, що служать для виявлення мікрочастинок - камерою Вільсона, лічильником сцинтиляцій, газорозрядним лічильником. Ці детектори, хоч і застосовуються в дослідженнях елементарних частинок, проте не завжди зручні. Справа в тому, що найцікавіші процеси взаємодії, що супроводжуються взаємними перетвореннями елементарних частинок, відбуваються дуже рідко. Частка має зустріти на своєму шляху дуже багато нуклонів або електронів, щоб сталося цікаве зіткнення. Практично вона повинна пройти в щільній речовині шлях, що вимірюється десятками сантиметрів - метрами (у такому шляху заряджена частка з енергією в мільярди електрон-вольт втрачає внаслідок іонізації лише частину своєї енергії).

Однак у камері Вільсона або газорозрядному лічильнику чутливий шар (у перерахунку на щільну речовину) вкрай тонкий. У зв'язку з цим набули застосування деякі інші методи реєстрації частинок.

Дуже плідним виявився фотографічний метод. У спеціальних дрібнозернистих фотоемульсіях кожна заряджена частка, що перетинає емульсію, залишає слід, який після прояву платівки виявляється під мікроскопом у вигляді ланцюжка чорних зерен. За характером сліду, залишеного часткою фотоемульсії, можна встановити природу цієї частки - її заряд, масу, і навіть енергію. Фотографічний метод зручний не тільки через те, що можна використовувати товсті слон речовини, але й тому, що у фотопластинці, на відміну від камери Вільсона, сліди заряджених частинок не зникають невдовзі після прольоту частинки. При вивченні подій, що рідко трапляються, платівки можуть експонуватися тривалий час; це особливо корисно у дослідженнях космічних променів. Приклади рідкісних подій, відбитих у фотоемульсії, наведено вище на рис. 414, 415; особливо цікавий рис. 418.

Інший чудовий метод заснований на використанні властивостей перегрітих рідин (див. Том I, § 299). При нагріванні дуже чистої рідини до температури, навіть трохи більшої температури кипіння, рідина не закипає, оскільки поверхневий натяг перешкоджає утворенню бульбашок пари. Американський фізик Дональд Глезер (нар. 1926) помітив у 1952 р., що перегріта рідина миттєво закипає при досить інтенсивному опроміненні; додаткова енергія, що виділяється в слідах швидких електронів, створюваних у рідині -випромінюванням, забезпечує умови для утворення бульбашок.

На основі цього явища Глезер розробив так звану рідинну бульбашкову камеру. Рідина при підвищеному тиску нагрівається до температури близької, але меншої температури кипіння. Потім тиск, а з ним і температура кипіння знижуються, і рідина перегріта. Уздовж траєкторії зарядженої частки, що перетинає в цей момент рідина, формується слід бульбашок пари. При відповідному освітленні він може бути зображений фотоапаратом. Як правило, бульбашкові камери розташовують між полюсами сильного електромагніту, магнітне поле викривляє траєкторії частинок. Вимірюючи довжину сліду частинки, радіус його кривизни, щільність бульбашок можна встановити характеристики частки. Зараз бульбашкові камери досягли високої досконалості; працюють, наприклад, камери, заповнені рідким воднем, з чутливим об'ємом кілька кубічних метрів. Приклади фотографій слідів частинок у бульбашковій камері наведено на рис. 416, 417, 419, 420.

Рис. 418. Перетворення частинок, зафіксовані у стосі фотоемульсій, опроміненої космічними променями. У точці невидима швидка нейтральна частка викликала розщеплення одного з ядер фотоемульсії та утворила мезони («зірка» з 21 сліду). Один з мезонів, -мезон, пройшовши шлях навколо (на знімку наведено лише початок і кінець сліду; при використаному на фотографії збільшенні довжина всього сліду була б), зупинився в точці і розпався за схемою . -мезон, слід якого спрямований вниз, у точці захопився ядром, викликавши його розщеплення. Одним з уламків розщеплення було ядро, яке шляхом-розпаду перетворилося на ядро, що миттєво розпадається на дві, що летять у протилежні сторони-частці - на знімку вони утворюють «молоток». -мезон, зупинившись, перетворився на -мюон (і нейтрино) (крапка). Закінчення сліду-мюона наведено у правому верхньому кутку малюнка; видно слід позитрона, утвореного при розпаді.

Рис. 419. Освіта та розпад-гіперонів. У водневій бульбашковій камері, що знаходилася в магнітному полі та опроміненою антипротонами, зафіксовано реакцію . Вона відбулася у точці закінчення сліду (див. схему у верхній частині малюнка). Нейтральні лямбда-і антилямбда-гіперони, пролетівши без утворення сліду невеликий шлях, розпадаються за схемами. Антипротон анігілює з протоном, утворюючи два і два -мезони

Зміст статті

ДЕТЕКТОРИ ЧАСТОК,прилади для реєстрації атомних та субатомних частинок. Щоб частка була зареєстрована, вона має взаємодіяти з матеріалом детектора. Найпростіші детектори («лічильники») реєструють лише сам факт потрапляння частки до детектора; більш складні дозволяють також визначити тип частки, її енергію, напрямок руху і т.д.

Взаємодія з матеріалом детектора найчастіше зводиться до процесу іонізації – відриву електронів від деяких атомів матеріалу детектора, внаслідок чого вони набувають електричний заряд. Реєструється або безпосередньо іонізація, або пов'язані з нею явища – випромінювання світла, і навіть фазові чи хімічні перетворення.

Взаємодія частинок із речовиною.

Проходячи крізь речовину, частка стикається з атомами цієї речовини. Число зіткнень залежить в основному від електричного заряду та швидкості частинки. Маса частки і природа самої речовини грають лише другорядну роль. При кожному зіткненні існує певна ймовірність того, що атом втратить електрон і перетвориться на позитивно заряджений іон. Тому частка, що рухається в речовині, залишає за собою слід з електронів та позитивних іонів. Цей процес, званий іонізацією, схематично зображено на рис. 1. Наприклад, дуже швидкий протон (швидкість якого близька до швидкості світла) під час руху у воді залишає на кожному сантиметрі шляху приблизно 70 000 пар електронів та позитивних іонів. Одночасно з іонізацією атоми при зіткненні можуть випромінювати світло або набувати імпульсу, що веде до нагрівання речовини та виникнення в ньому різного роду дефектів. Будь-яке з цих явищ може використовуватись у детекторі частинок.

ТИПИ ДЕТЕКТОРІВ

Іонізаційні прилади.

Дія іонізаційної камери ґрунтується на зборі (у формі електричного струму) іонів, що утворюються під час проходження через камеру заряджених частинок. Схема пристрою представлена ​​на рис. 2. Електричний струм, що виникає внаслідок іонізації, дається виразом

i = nq/t,

де n- Число утворених іонів, q- Електричний заряд кожного іона, а t– час, необхідний у тому, щоб зібрати іони. Струм можна перетворити на падіння напруги, розряджаючи заряджений ним конденсатор або пропускаючи його через резистор. Струм, створюваний однією частинкою, зазвичай становить частки мікроампера, а падіння напруги вимірюється мілівольтами. Повні втрати енергії частки при проходженні через камеру даються формулою

E = nk,

де n- число утворених іонів, яке можна визначити за струмом або падінням напруги в камері, а k- Середня енергія, необхідна для утворення однієї пари іонів. Величина kдля звичайних газів становить близько 30 еВ (1 еВ є енергія, яку набуває електрон, проходячи прискорюючу різницю потенціалів 1 В.) Утворення іонних пар – випадковий процес, а тому можливі флуктуації числа nпорядку. Усі виміряні величини, засновані на показаннях лічильника, теж виявлятимуть флуктуації, і тому точність таких вимірів підвищується зі збільшенням їхньої тривалості.

Основна вимога до чутливої ​​речовини іонізаційних приладів полягає в тому, щоб іони, створювані випромінюванням, з великою ймовірністю досягали електродів, що збирають. Крім того, ця речовина повинна мати високий питомий опір, щоб у ньому не було інших струмів, крім пов'язаних з іонізацією. Для цього добре підходять гази, особливо інертні, такі, як гелій і аргон, але можна використовувати й інші діелектрики. Твердотілі аналоги іонізаційної камери є напівпровідникові детектори. Подібний прилад з p – n-Переходом показаний на рис. 3. Для створення переходу в напівпровідник (зазвичай кристал германію або кремнію, питомого опорузаймаючих проміжне положенняміж металами та діелектриками) вводять невеликі кількості певних домішок. Завдяки цьому в області переходу виникає електричне поле, а при додаванні додаткового зовнішнього поляутворюється збіднена область, у якій відсутні вільні носіїзаряду, необхідних створення електричного струму. Але якщо через збіднену область проходить іонізуюча частка, у ній виникають вільні носії (електрони та «дірки»), рух яких і створює струм. Середня енергія, необхідна освіти пари носіїв заряду в напівпровідниковому детекторі, становить приблизно 3 эВ, тоді як і газовому – 30 эВ. Отже, при однакових втратах енергії у напівпровідниковому детекторі виникає електричний сигнал, що в 10 разів перевищує сигнал іонізаційної камери. Відповідно до цього зростає і точність, з якою вимірюються втрати енергії.

Напівпровідникові детектори багато в чому аналогічні напівпровідникових діодів, які теж являють собою напівпровідникові прилади з p – n-переходом. Проте їхня конструкція має свої особливості. Один з поширених типів детекторів, поверхнево-бар'єрний, виготовляється шляхом нанесення тонкого шару золота на кремній або германій. Він має вигляд круглої пластинки діаметром близько 1 см із збідненим шаром завтовшки менше 1 мм. Такі детектори застосовуються для вимірювання повної енергії сильно іонізуючих частинок, наприклад, альфа-часток та протонів з низькою енергією. Завдяки великому сигналу, що відповідає одному акту іонізації, такі прилади вимірюють енергію частинок точніше за детектори всіх інших типів. Крім того, завдяки невеликим розмірам та простоті у користуванні вони ідеально підходять для космічних експериментів.

Ще один тип напівпровідникового детектора – літій-дрейфовий детектор з p – i – n-переходом – виготовляється методом дифузії іонів літію у напівпровідниковий матеріал (германій чи кремній). Це дає можливість отримувати збіднені області завтовшки кілька сантиметрів і створювати детектори значно великих розмірівніж поверхнево-бар'єрні. Такі детектори застосовуються для реєстрації частинок з великими енергіями, а також рентгенівського та гамма-випромінювання, що порівняно слабо взаємодіє з речовиною.

Пропорційні лічильники та лічильники Гейгера.

Серйозним недоліком напівпровідникових детекторів та іонізаційних камер є малий струм, що створюється в них іонізуючою частинкою. Він настільки малий, що його вимірювання необхідні електронні підсилювачі з великими коефіцієнтами посилення. Але якщо збільшити високу напругу на іонізаційній камері, то електрони, що виникають при первинній іонізації, набуватимуть енергію, достатню для вторинної іонізації, що призведе до збільшення сигналу. Детектор, що працює в такому режимі, називають пропорційним лічильником, оскільки імпульси напруги, що знімаються з лічильника, пропорційні числу іонів, що спочатку виникли. Число вторинних іонів, створюваних у середньому кожним первинним іоном, залежить від напруженості електричного поля в лічильнику. У плоскопаралельній камері електричне поле однорідне та його напруженість дорівнює різниці потенціалів між пластинами, поділеної на відстань між ними. У такій геометрії важко одержати поля з високою напруженістю, необхідні для вторинної іонізації. У камерах з центральною ниткою в якості анода, оточеної циліндричним катодом, поле нерівномірно і збільшується поблизу анода. У такій геометрії вдається досягти коефіцієнта посилення кілька тисяч.

При підвищенні напруги на пропорційному лічильнику коефіцієнт посилення сигналу не зростає до безкінечності. З якогось моменту сигнал лічильника перестає бути пропорційним первинній іонізації і збільшується з підвищенням напруги. Прилад, який працює у такому режимі, називається лічильником Гейгера. За конструкцією він подібний до пропорційного лічильника. Більше того, можна сконструювати лічильник, який буде працювати або як іонізаційна камера, або як пропорційний лічильник, або як лічильник Гейгера в залежності від напруги, прикладеної між катодом і анодом.

Імпульс струму, що виникає в лічильнику Гейгера після проходження зарядженої частки, подібний до електричного іскрового розряду. Як і в інших іонізаційних приладах, основний внесок у струм вносять електрони. Присутні при цьому у великих кількостях позитивні іониЕлектрично екранують анод від катода і тим самим послаблюють поле, що діє на електрони. Зі збільшенням струму екранування посилюється і досягається насичення, що обмежує максимальний струм. Поруч із насиченням протікає інший процес – поширення розряду з усього обсягу лічильника Гейгера. Він обумовлений свіченням розряду, світло якого робить у лічильнику додаткову іонізацію за рахунок фотоефекту. Усюди, де відбувається фотоіонізація, з'являється новий розряд. Зрештою, сигнал вже не залежить від первинної іонізації і може досягати 100 В. Таким чином, розряд посилює первинний сигнал більш ніж у мільйон разів.

Для гасіння розряду в лічильнику Гейгера доводиться вживати особливих заходів. Можна зменшити зовнішню напругу та підтримувати її нижче рівня, при якому можливий стійкий розряд, доки всі іони не будуть виведені з обсягу лічильника. Простіший спосіб - ввести в лічильник пар, які поглинали б світло, що випромінюється розрядом, і розсіювали енергію не за рахунок фотоефекту, а, наприклад, за рахунок дисоціації. Для цього зазвичай додають газоподібні галогени (промисловість випускає зазвичай лічильники саме такого типу).

Пропорційні лічильники можна використовувати для вимірювання низької енергії випромінювання, наприклад, електронів або рентгенівського випромінювання. Лічильник Гейгера лише фіксує появу частки. Інакше кажучи, за наявності випромінювань різних видівлічильник Гейгера дає лише загальне числочастинок, що пройшли через детектор, а пропорційний лічильник дозволяє аналізувати випромінювання за його видом та енергією. Такими ж можливостями володіють і напівпровідникові детектори, а також багато з детекторів інших типів, що розглядаються нижче.

Сцинтиляційні та черенківські лічильники.

Випускання світла деякими речовинами під час проходження крізь них швидких заряджених частинок називають сцинтиляцією. На частку світла, що випускається, може припадати 5–10% всієї енергії, що втрачається частинками. Його випромінювання – окремий випадоклюмінесценції – обумовлено атомною структурою речовини, крізь яку проходить частка. На реєстрації світла, що випромінюється середовищем при проходженні через неї частинки, засновані сцинтиляційні лічильники.

У сучасних сцинтиляційних лічильниках, що з'явилися приблизно в 1947, для реєстрації сцинтиляцій використовуються фотоелектронні помножувачі (ФЕУ), що перетворюють спалах світла на електричний сигнал і одночасно посилюють цей сигнал. Сцинтиляційний лічильник із ФЕУ схематично зображено на рис. 4.

При виборі сцинтилюючої речовини виникає питання про збирання світла з кристала. Відомо, що речовини, що випромінюють світло певної частоти, поглинають світло тієї ж частоти. Тому в дуже чистому кристалі сцинтиляційне свічення безперервно поглинатиметься і знову випускатиметься атомами кристала, поки світло не вийде назовні через поверхню кристала або ж не буде поглинене у вигляді тепла. Останнє найчастіше відбувається у кристалах досить великих розмірів, і тому чисті кристали виявляються поганими сцинтиляторами. Ситуація значно покращується під час введення спеціальних домішок. Такі домішки, що активують, зміщують довжину хвилі, поглинувши світло, випускають його з дещо більшою довжиноюхвилі, завдяки чому він може вийти назовні. З неорганічних кристалів зазвичай використовують йодиди натрію та цезію, активовані талієм. Успішно застосовуються в ролі сцинтиляторів також активовані пластмаси та органічні рідини. Типовим прикладомможе бути полістирол, активований пара-терфенилом. Застосовуються деякі чисті органічні кристали.

У сцинтиляційних лічильниківє низка переваг над іншими детекторами частинок. Тверді та рідкі сцинтиляційні матеріали у тисячі разів щільніші за гази, що використовуються в іонізаційних лічильниках. Відповідно до цього значно зростають втрати енергії іонізуючою часткою на одиницю довжини і сигнал. З іншого боку, ФЭУ забезпечують таке посилення первинного сигналу, якого досягти з допомогою електронних схем. До того ж тривалість сигналу на виході сцинтиляційного лічильника може становити лише 10 -9 с, тоді як від іонізаційної камери вдається в найкращому випадкуотримати сигнал тривалістю приблизно 10 -7 с.

Сигнал на виході сцинтиляційного лічильника, як і в іонізаційних приладів, пропорційний енергії, що втрачається в частині речовини сцинтилятора. Ця енергія може досягати декількох сотень мегаелектронвольт і являти собою повну кінетичну енергію частки, що падає. Сигнал від лічильника можна також використовувати для вимірювання часових інтервалів між моментами появи різних частинок. Прикладом може бути вимір середнього часу життя нестабільних частинок, таких, як p- або До-мезон. Суть експерименту – у реєстрації тимчасового інтервалу між сигналом лічильника, що відповідає попаданню в нього мезону, та сигналом, що відповідає появі продукту розпаду. Час життя p-мезона приблизно 25Ч 10 -9 с, і для точного його вимірювання потрібен лічильник з набагато меншим часомвідгуку.

Сцинтиляційні лічильники широко застосовуються в експериментах з пучками частинок прискорювачів на високі енергії. Такі пучки зазвичай складаються зі згустків частинок, і щоб виділити в цих згустках окремі частинки, необхідний високий «тимчасовий дозвіл» (малий час відгуку), що забезпечується сцинтиляційними лічильниками.

Використовуючи як сцинтиляційні матеріали звичайні органічні рідини і пластмаси, можна виготовляти лічильники практично будь-яких розмірів і форм. Для експериментів з космічними променями, де потоки часток украй малі, створюються гігантські системи детекторів, що містять тонни чутливих матеріалів. На стільки ж величезна кількістьречовини використовується для реєстрації нейтрино, нейтральних частинок, ймовірність взаємодії яких із речовиною виключно мала. В експерименті може використовуватися і система з великої кількостіокремих сцинтиляційних лічильників У разі вони найчастіше виконують таку ж роль, як і лічильники Гейгера, тобто. служать індикаторами наявності часток. Сцинтиляційні лічильники можуть працювати значно надійніше за лічильники Гейгера і завдяки своєму високому тимчасовому дозволу точно реєструвати набагато більше інтенсивні потокичастинок.

Черенківський лічильник є детектором, зовні подібним до сцинтиляційного лічильника. Він реєструє так зване черенківське випромінювання - світіння, що випускається зарядженою часткою, яка рухається в середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла в цьому середовищі. Це явище аналогічне ударній хвилі, що виникає в повітрі, коли снаряд летить швидше за звук. У будь-якому заломлюючому середовищі швидкість світла дорівнює з/n, де з- Швидкість світла в порожнечі (3Ч 10 8 м/с), а n- Показник заломлення середовища. Таким чином, у склі, показник заломлення якого дорівнює 1,5, швидкість світла становить лише 2Ч 10 8 м/c. Будь-яка частка, що рухається у склі з більшою швидкістю, випромінюватиме черенківське випромінювання. (Тут немає протиріччя з приватною теорієювідносності, згідно з якою швидкість будь-якої частинки, незалежно від середовища, в якому вона рухається, не може перевищувати швидкість світла в порожнечі.) Тому черенківський лічильник, чутлива речовина якого має показник заломлення n, реагуватиме на частинки, швидкості яких перевищують з/n. Інтенсивність свічення пропорційна величині (1 – v 2 /c 2 n 2) яка дорівнює нулю при пороговому значенні швидкості з/nі швидко зростає до максимального значення, коли швидкість vреєстрованої частки наближається до швидкості світла з. Особливість черенківського випромінюванняполягає в тому, що воно зосереджено у передньому конусі щодо напрямку руху частинки. Кут при вершині конуса дається виразом

cos q = v/cn.

Використовуючи цю залежність кута випромінювання від швидкості, можна сконструювати лічильник, на катоді ФЕУ якого буде фокусуватися тільки випромінювання частинок, що рухаються з певною швидкістю.

Світловий спалах черенківського випромінювання за інтенсивністю приблизно в 100 разів слабший за сцинтиляцію. Тому при виборі чутливої ​​речовини для черенківського лічильника доводиться обмежуватись матеріалами, в яких не відбуваються сцинтиляції. Зазвичай це вода та оргскло. Для реєстрації частинок зі швидкостями, що наближаються до швидкості світла, використовуються гази, показник заломлення яких дуже близький до 1. Наприклад, черенківський лічильник з повітрям атмосферному тискуреагуватиме лише на частинки зі швидкостями не менше 0,9997 з.

Використовується і залежність сигналу черенківських лічильників від швидкості. Поява сигналу свідчить про проходження зарядженої частинки зі швидкістю, що перевищує порогову, а схема з двома лічильниками дозволяє виділити частинки, що лежать у вузькому інтервалі швидкостей. Це дає можливість досліджувати спектр частинок з високими швидкостями, а не лише реєструвати їхню появу. Вихідний сигнал сцинтиляційного лічильника, як і будь-якого іонізаційного приладу, майже постійний для всіх частинок зі швидкостями вище 2Ч 108 м/с (0,67 швидкості світла).

Детектори нейтронів та гамма-квантів.

Іонізаційні прилади, сцинтиляційні та черенківські лічильники безпосередньо реагують лише на заряджені частинки. Нейтральні частинки, наприклад нейтрони і гамма-кванти, повинні спочатку якось подіяти на речовину, щоб виникли заряджені частинки, на які може реагувати лічильник. При взаємодії гамма-випромінювання з речовиною електрони виникають за рахунок фотоефекту, комптон-ефекту або народження електронно-позитронних пар. Фотоефект - це процес, зворотний випромінювання світла: гамма-квант поглинається атомом, з якого вилітає електрон з тією ж енергією, що й у гамма-кванта, за винятком енергії зв'язку електрона в атомі. Фотоефект значний при енергії гамма-квантів меншою приблизно 1 МеВ. Комптон-ефект - це розсіювання гамма-квантів на електронах. При цьому електрон вибивається з атома і набуває кінетичної енергії в діапазоні від нуля до майже повної енергії гамма-кванта. Цей процес грає важливу рольв галузі енергій порядку 1 МеВ та для речовин з малим атомним номером, таких, як вуглець. Народження пар відбувається в результаті взаємодії гамма-кванту із сильним електричним полемпоблизу ядра. Повна енергія електрона і позитрону, що народжуються ( кінетична енергія+ Енергія спокою) дорівнює енергії гамма-кванту. Народження пар немає при енергіях нижче 1 МеВ. При вищих енергіях воно домінує, особливо в речовинах з більшими атомними номерами, такі як свинець.

Головне завдання при реєстрації гамма-квантів - знайти речовину, яка легко поглинала б їх і одночасно була б чутлива до електронів, що випускаються. Іонізаційні прилади порівняно мало чутливі до гамма-квантів через низьку щільність газового наповнення, хоча певною мірою перетворення відбувається в стінках лічильника. Найбільш підходящими приладами для реєстрації гамма-квантів та вимірювання їхньої енергії виявилися сцинтиляційні лічильники з кристалами високої щільностімістять елементи з великими атомними номерами. Порівняно невеликі кристали іодиду натрію дають майже 100% ефективність реєстрації гамма-квантів в широкому діапазоні енергій. У рівного ступеняпідходять та інші сцинтиляційні матеріали. Їх вибір зазвичай залежить від досліджуваного випромінювання. Черенківські лічильники теж застосовуються для реєстрації гамма-квантів, особливо в області високих енергій. При цьому як черенківські випромінювачі широко застосовуються свинцеве скло та бромоформ.

Нейтрони – незаряджені ядерні частинки, тому взаємодіють із речовиною лише у прямих зіткненнях з ядрами його атомів. При зіткненні з ядром водню (протоном) нейтрон може передати всю свою енергію протону, який, будучи зарядженим часткою, може бути зареєстрований звичайним способом. Такий процес, званий пружним розсіюванням, широко використовується для реєстрації нейтронів з енергіями, що перевищують 0,1 МеВ. Завдяки високому вмісту водню сцинтиляційні пластмаси та рідини придатні для реєстрації нейтронів із ефективністю 10–20%. Іноді під дією нейтронів відбуваються ядерні реакції з випромінюванням заряджених частинок або гамма-квантів. Деякі з таких реакцій вирізняються виключно великою ймовірністю, особливо при енергіях нейтронів близько 1 еВ. Прикладом може бути реакція з бором, що супроводжується випромінюванням альфа-частинок. Тому високу ефективність реєстрації нейтронів забезпечує лічильник Гейгера, заповнений трифторидом бору. Ще один приклад такої реакції – розподіл ядер. Застосовуються іонізаційні камери з внутрішнім шаромрозділяючого матеріалу, такого, як уран-235. За великим енерговиділенням, характерним для поділу ядер, можна виявляти нейтрони на тлі інших частинок.

Реєстрацію нейтронів часто ускладнюють труднощі відокремлення нейтронів від гамма-випромінювання. У детекторів повільних нейтронів ефективність реєстрації нейтронів, як правило, набагато вища, ніж для гамма-випромінювання. Але у швидких нейтронів сцинтиляційних лічильників, що використовуються для реєстрації, ефективність зазвичай приблизно однакова в обох випадках. Нейтрони можна відрізнити формою реєстрованого імпульсу, оскільки у разі нейтрону імпульс виявляється ширшим у часі. Але ця різниця невелика і для її виявлення потрібна досить складна електроніка.

Камери Вільсона та бульбашкові камери.

За відповідних умов іонізація, вироблена в речовині зарядженою часткою, може викликати в ньому фазовий перехід. У так званій камері Вільсона використовується конденсація рідини із пари. Прилад був винайдений в 1912 Ч. Вільсоном, який протягом багатьох років досліджував фізику утворення хмар в атмосфері. Вільсон встановив, що пересичена пара конденсується в крапельки навколо центрів зародка освіти, якими служать позитивні і негативні іони. Проходячи через перенасичену пару, заряджена частка залишає за собою слід із крапель. За 1 мс крапельки зростають до видимих ​​розмірів.

Пухирцеву камеру винайшов і вдосконалив на початку 1950-х років Д.Глейзер. Виходячи з аналогії з камерою Вільсона, він знайшов інший фазовий перехід, який також дозволяє візуалізувати сліди частинок. У його приладі використовується перегріта рідина, яка закипає поблизу центрів зародка освіти, якими служать іони. Проходячи через таку рідину, частка залишає за собою слід із бульбашок. Обидва ці прилади принесли їх творцям Нобелівські премії і дали дослідникам можливість майже на власні очі спостерігати ядерні явища.

Пухирцеві камери та камери Вільсона дозволяють бачити сліди частинок. Це означає, що положення частки може бути з точністю до розміру видимої крапельки чи бульбашки, тобто. приблизно 1 мм. Камери часто поміщають у магнітне поле. Це призводить до викривлення траєкторій заряджених частинок, обернено пропорційному їхньому імпульсу. При цьому позитивно заряджені частинки відхиляються в одному напрямку, а негативно заряджені в іншому. Таким чином, крім просторової картини, яку дають ці прилади, вони дозволяють виміряти імпульс частинки і визначити знак її заряду.

Ядерні емульсії.

Фотоемульсії як детектори частинок певною мірою аналогічні камері Вільсона та бульбашковій камері. Вперше їх застосував англійський фізик С. Пауелл для вивчення космічних променів. Фотоемульсія є шаром желатини з диспергованими в ній зернами броміду срібла. Під дією світла у зернах броміду срібла утворюються центри прихованого зображення, що сприяють відновленню броміду срібла до металевого срібла при прояві звичайним фотографічним проявником. Фізичний механізм утворення цих центрів полягає у освіті атомів металевого срібла за рахунок фотоефекту. Іонізація, вироблена зарядженими частинками, дає такий самий результат: виникає слід із сенсибілізованих зерен, який після прояву можна бачити під мікроскопом. Великі потоки іонізуючого та неіонізуючого випромінювання викликають вуалювання емульсії, видиме простим оком, як на звичайних рентгенівських знімках.

Методика ядерних емульсій найпривабливіша тим, що вони досить компактні. Емульсії, майже такі ж, як і фотографії, поставляються у вигляді листків товщиною 0,1 мм. Окремі листки складають у стопки потрібного обсягу (характерний розмір – близько десятків сантиметрів). Після опромінення в потоці частинок стопки поділяють на листки для прояву та аналізу. Завдяки великій концентрації срібла щільність фотоемульсій досить велика, тому втрати енергії іонізуючих частинок навіть на порівняно невеликому пробігу в емульсії можуть досягати сотень мегаэлектронвольт. Ширина сліду частинки становить лише кілька мікрометрів, що дозволяє вимірювати положення частинки з набагато більшою точністю, ніж у бульбашковій камері та камері Вільсона. Щільність сліду (кількість почорнілих зерен на одиницю його довжини) прямо пропорційна іонізації, що виробляється падаючою часткою і, отже, залежить від її швидкості. Крім того, в результаті численних зіткнень з атомами емульсії траєкторія частки виявляє відхилення. За результатами вимірювання щільності сліду та його відхилень можна визначити масу частки, що залишила слід, а тим самим ідентифікувати її. Шляхом таких самих вимірів можна визначити заряд частки. Так було виявлено ядра заліза з високою енергією у космічних променях.

Іскрові камери.

Іскрова камера являє собою набір паралельних провідних пластин, розділених газом та електрично ізольованих один від одного. Заряджена частка, що проходить через камеру, створює іони у газі між пластинами. Виникає при цьому імпульс запускає зовнішню схему, яка подає на пластини, що чергуються, імпульс високої напругиблизько 10 000 В. У момент подачі цього імпульсу пари пластин камери діють як лічильники Гейгера, і в тих місцях, де пройшла частка проскакують іскри. Іскри добре видно (і чути).

Твердотільні трекові детектори.

Проходячи крізь речовину, частинки можуть буквально «розштовхувати» атоми на своєму шляху та залишати за собою слід, видимий в електронному мікроскопі. Вперше подібні треки спостерігалися у слюді. Ці слабкі сліди можна виявляти агресивними середовищами, що селективно роз'їдають матеріал. Від частки виникає, тільки якщо вона створює на своєму шляху багато іонів. Тому такі ядерні частки, як протони та альфа-частки, не залишають слідів. Видимими будуть лише треки цілих ядер (наприклад, ядер заліза) та уламків їхнього поділу.

Специфіка таких детекторів визначається їхньою чутливістю до дуже важких частинок, а також здатністю зберігати сліди подій, що сталися в давнину. Для дослідження космічного проміння великі листи пластиків піднімають на стратостатах. У такий спосіб реєструвалися ядра урану та інших важких елементів, що проникають з первинним космічним випромінюванням земну атмосферу. Треки в мінералах дозволяють точно визначити їхній вік. Цим методом досліджувалися породи як земного, а й метеоритного, і навіть місячного походження.

Детектор елементарних частинок

Детектор CMSодин з прикладів великого детектора елементарних частинок.

Детектор елементарних частинок, детектор іонізуючого випромінювання в експериментальній фізиці елементарних частинок - пристрій, призначений для виявлення та вимірювання параметрів елементарних частинок високої енергії, таких як космічні промені або частинок, що народжуються при ядерних розпадахабо в прискорювачах.

Основні типи

Список детекторів, що працюють або будуються, для прискорювачів на зустрічних пучках

• Детектори на колайдері LHC (CERN)
• Детектори на колайдері Tevatron
• Детектори на електрон-позитронних колайдерах
  • Belle (колайдер KEKB, KEK)
  • BES (колайдер BEPC, Пекін)
  • CLEO (колайдер CESR)
  • КЕДР (колайдер ВЕПП-4, Новосибірськ)
  • КМД, СНД (коллайдер ВЕПП-2М, ВЕПП-2000, Новосибірськ)

Прикладне застосування

Крім наукових експериментів, детектори елементарних частинок знаходять застосування і в прикладних задачах- у медицині (рентгенівські апарати з малою дозою опромінення, томографи, променева терапія), матеріалознавстві (дефектоскопія), для передпольотного огляду пасажирів та багажу в аеропортах.

Література

• K. Груп. Детектори елементарних частинок. Новосибірськ. Сибірський хронограф, 1999р.
• Б. С. Ішханов, І. М. Капітонов, Е. І. Кебін, Web-публікація на основі навчального посібника Б. С. Ішханов, І. М. Капітонов, Е. І. Кебін. «Частини та ядра. Експеримент», М: Видавництво МДУ, 2005.
• 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:10.1063/1.1361756 .

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Детектор із особливо чистого германію
• Дєтеліна

Дивитись що таке "Детектор елементарних частинок" в інших словниках:

Детектори елементарних частинок- Детектор CMS, один із прикладів великого детектора елементарних частинок. Детектор елементарних частинок, детектор іонізуючого випромінювання в експериментальній фізиці елементарних частинок пристрій, призначений для виявлення та вимірювання.

Прискорювач елементарних частинок- Погляд на прискорювальний центр Fermilab, США. Теватрон (кільце на задньому плані) і інжектор кільце. Прискорювач заряджених частинок класу пристроїв для отримання заряджених частинок (елементарних частинок, іонів) високих енергій. Сучасні прискорювачі, … Вікіпедія

Калориметр (фізика елементарних частинок)- Не слід плутати з колориметром. прилад для виміру кольору. Не слід плутати з калориметром. у теплофізиці прилад для вимірювання теплоти. Kалориметр (від лат. calor тепло та …метр) у фізиці елементарних частинок та ядерної фізики прилад, який… … Вікіпедія

Детектори (прилади для реєстрації елементарних частинок)- Детектори (прилади для реєстрації) ДЕТЕКТОРИ частинок, прилади для реєстрації елементарних частинок, ядер та квантів. Дія детектора заснована на іонізації та збудженні атомів речовини. Розрізняють детектори дискретного рахунку частинок. Ілюстрований енциклопедичний словник

Детектор- Цю сторінку пропонується перейменувати на Детектор (значення). Пояснення причин та обговорення на сторінці Вікіпедія: До перейменування/15 березня 2012 року. Можливо, її поточна назва не відповідає нормам сучасної російської мови та/або …

Детектор перехідного випромінювання- (ДПІ), Transition Radiation Detector (TRD) детектор швидких заряджених частинок, який реєструє перехідне випромінювання, що випускається релятивістською часткою при перетині нею межі поділу середовищ з різною діелектричної проникності… Вікіпедія

Детектор із особливо чистого германію- Ця сторінка потребує суттєвої переробки. Можливо, її необхідно вікіфікувати, доповнити чи переписати. Пояснення причин та обговорення на сторінці Вікіпедія:До покращення/26 серпня 2012. Дата постановки до покращення 26 серпня 2012.… … Вікіпедія

ДЕТЕКТОР- (1) прилад або пристрій для реєстрації елементарних та (див.) частинок (протонів, нейтронів, електронів, мезонів, кварків та ін.), атомних ядер(альфа частинок та ін.), рентгенівських та гама квантів, а також для виявлення теплового випромінювання.… … Велика політехнічна енциклопедія

Черенківський детектор- Черенківський детектор, або детектор черенківського випромінювання детектор елементарних частинок, що використовує детектування черенківського випромінювання, що дозволяє непрямим чином визначити маси частинок, або відокремити більш легкі частинки (що … Вікіпедія

Сферичний нейтральний детектор- (скорочено СНД) детектор елементарних частинок. Працював на електронному позитронному колайдері ВЕПП 2М в ІЯФ ім. Будкера у Новосибірську. Після модернізації детектор працює на новому колайдері ВЕПП 2000. Зміст 1 Історія детектора …