СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ КВАНТОВЫХ ПРОЦЕССОВ КАМЕРА ВИЛЬСОНА ТУМАННАЯ

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ КВАНТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

КАМЕРА ВИЛЬСОНА (ТУМАННАЯ КАМЕРА) — ОДИН ИЗ ПЕРВЫХ В ИСТОРИИ ПРИБОРОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛЕДОВ (ТРЕКОВ) ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, В ТОМ ЧИСЛЕ И КВАНТОВЫХ. ИЗОБРЕТЕНА ШОТЛАНДСКИМ ФИЗИКОМ Ч. ВИЛЬСОНОМ В 1912 ГОДУ. Принцип действия камеры основан на явлении конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости.

Камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно порядка 1 мин. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Схема камеры с внешним источником частиц. Схема камеры с внутренним источником излучения

Пузырьковая камера - прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году. Трек формируется из пузырьков пара перегретой жидкости (жидкий водород, пропан, ксенон). Зародыши пузырьков в такой жидкости образуются под воздействием электронов, выбиваемых движущейся частицей из атомов жидкости (σ -электронов). Минимальная энергия, необходимая для образования пузырька критического размера, 150 -300 э. В. Регистрация параметров треков осуществляется с помощью микроскопов, полуавтоматических или автоматических измерительных устройств, специальных фотографических комплексов.

Основное преимущество пузырьковой камеры — изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов. Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.

Искровая камера – трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения. Прохождение заряженной частицы фиксируется внешними управляющими счётчиками. По их сигналу на электроды (пластины) камеры подается высоковольтный короткий импульс (10 – 100 нс).

Электроны, возникающие при ионизации атомов газа при прохождения заряженной частицы между пластинами, обуславливают образование искры или их цепочку. Отдельные искровые разряды, направлены вдоль электрического поля (перпендикулярно электродам). Совокупность этих последовательных разрядов формирует трек частицы. Этот трек может быть зафиксирован либо оптическими методами (например, сфотографирован), либо электронными. Внешний вид двухсекционной искровой камеры

В стримерной камере электрический разряд обрывается на стримерной стадии (в которой заряд не успевает перейти в искру), что обеспечивается непродолжительностью высоковольтного импульса, подаваемого на электроды (12 -20 нс). Стример представляет собой узкий светящийся канал ионизированного газа длиной до нескольких мм, возникающий на предпробойной стадии электрического разряда. Характерной особенностью стримера является высокая скорость его распространения (104 м/с). Обычные размеры стримерной камеры 1× 0. 5 м 3. Эти камеры часто используют совместно с магнитным полем. В них, в отличие от искровых камер, хорошо воспроизводятся треки в любых направлениях. Впервые данная камера создана в 1963 году Г. Е. Чиковани с сотрудниками и независимо Б. А. Долгошеиным.

Ионизационная камера (ИК) - прибор для измерения параметров интенсивности элементарных частиц и их спектрометрии. Простейшая ИК представляет собой два электрода, помещенных в заполненный газом сосуд. В качестве газовой среды используют инертный газ (или их смесь) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). От напряжения, прикладываемого к электродам, газ в межэлектродном промежутке ионизируется, обеспечивая протекание тока в цепи. При увеличении напряжения начинается процесс лавинного размножения частиц вблизи анода. Ток, проходящий через ИК, определяется энергией, выделяемой ионизирующей частицей или интенсивностью потока частиц.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие (токовые) и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению. В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой.

Счетчик Гейгера – один из первых квантовых средств измерений массового применения, предназначен для детектирования заряженных частиц, γ-квантов и нейтронов по вторичным заряженным частицам. Счётчик был изобретен в 1908 году Гансом Гейгером и усовершенствован Мюллером. Заряженная частица, попав в активную зону счетчика, вызывает образование электронно-ионной лавины, которая является основой так называемого газового усиления импульса в баллоне.

Масс-спектрометр (МС) – средство для измерения масс заряженных элементарных частиц, ионов и кластерных образований, а также определения их относительного содержания. Масс-спектрометр — это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, и необходимый для получения масс-спектра. Масс-спектр — это зависимость интенсивности ионного тока от отношения массы к заряду. В состав МС входят: • Датчик (полупроводниковый детектор, ионизационная камера); • Масс-анализатор (амплитудный анализатор); • Электронно-вычислительное и регистрирующее устройства, вспомогательные устройства (получение потока частиц, вакуумная техника и др. )

Схема масс-спектрометра: 1 - ионный источник; 2, 4 - щелевые диафрагмы; 3 - область однородных и постоянных электрического и магнитного полей (силовые линии электрического поля направлены вдоль плоскости рисунка и показаны стрелками; область магнитного поля показана штриховкой, его силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка); 5 - область однородного и постоянного магнитного поля (силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка); 6 - траектория иона; 7 - детектор.

Полупроводниковые детекторы (ПД) элементарных частиц представляет собой особую модификацию полупроводникового прибора с p-n-переходом. Принцип действия его заключается в том, что при попадании в активную зону элементарной частицы или γкванта на пути его движения в полупроводнике происходит генерация пар электрон-дырка (то есть заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – дырки). Эти частицы (дырки, электроны) под воздействием электрического поля перемещаются к электродам ПД, в результате чего в электрической цепи возникает импульс тока и соответственно напряжение.