Детекторы частиц

Детекторы частиц Информативность любого эксперимента определяется возможностями детекторов. История ядерной физики - история создания всё новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами. Для режекции фона (обычно гигантского) используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы электроники, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Принципы действия. Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает в результате электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды и возбужденные атомы. - Если среда находится в электрическом поле, то возникающей в ней электрический ток фиксируется в виде электрического импульса. Ионизационные детекторы. - При возвращении возбужденных атомов в основное состояние излучаются фотоны, которые зарегистрируются в виде оптической вспышки. Сцинтилляционные детекторы. - При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы можно сделать видимой. Трековые детекторы.

Регистрация нейтральных частиц Нейтральные частицы не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц. Заряженные частицы возникают либо в реакциях этих нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада этих частиц. -Гамма-кванты регистрируются по вторичным заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар. - Быстрораспадающиеся частицы детектор «не успевает» зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада. - Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой (≈ 10− 20 барн) в большинстве случаев вообще не регистрируется детектором. Нейтрино уносит с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и используя законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том, что нейтрино действительно образовалось, но и установить его энергию и направление вылета из точки реакции.

Нобелевские премии по физике за создание методов и приборов регистрации частиц 1907 г. — А. Майкельсон За прецизионные оптические приборы и за спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью. 1927 г. — Ч. Вильсон За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара. 1948 г. — П. Блэккетт За создание метода камеры Вильсона и открытия, сделанные с его помощью в области ядерной физики и космических лучей. 1950 г. — С. Пауэлл За создание фотографического метода и открытия, связанные с мезонами, сделанные с помощью этого метода. 1954 г. — В. Боте За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия. 1960 г. — Д. Глезер За изобретение пузырьковой камеры. 1992 г. — Г. Чарпак За открытие и создание детекторов частиц, в частности, многопроволочной пропорциональной камеры.

Газонаполненные детекторы Хорошая чувствительности к излучениям. Относительная простота и дешевизна. Область рекомбинации (I) происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов. Область насыщения (II). Практически все заряды собираются на электродах. В этой области работают Ионизационные камеры. Пропорциональная область (III). Образованные электроны в свою очередь вызвать ионизация атомов или молекул газа. Происходит газовое усиление. Коэффициент усиления пропорционален приложенному напряжению и варьируется от 103 до 104. Это область работы пропорциональных счетчиков (камер). Область ограниченной пропорциональности (IV). Коэффициент газового усиления перестает линейно зависеть от напряжения. Область Гейгера - Мюллера (V). Собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Это область работы счетчиков Гейгера - Мюллера. Область непрерывного разряда (VI). Ддля регистрации частиц не используется.

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Это система из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C 2 H 2, Ne). Конструкция в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. - В интегрирующих камерах регистрируется ток, пропорциональный среднему энерговыделению. -В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Более подвижные электроны собираются за время около 10 -6 с. Временнoе разрешение ионизационной камеры также 10 -6 с. Время сбора положительных ионов на три порядка больше. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов. Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию образованиz частицей одной пары электрон-ион (для газа ~ 30 -40 э. В).

Пропорциональный счётчик Недостаток ионизационной камеры очень низкие токи, который преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией < 10 кэ. В, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя. Газовое усиление - это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды. Таким образом, к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 103 -104. Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере). В этом приборе амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.

Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 вольт/см. , в то время как у катода она равна сотням в/см. Схема пропорционального счётчика в продольном (а) и поперечном (б) разрезах (аналогично устроен счетчик Гейгера и цилиндрическая ионизационная камера): 1 - нить-анод, 2 - цилиндрический катод, 3 - изолятор, 4 - траектория заряженной частицы, 5 - электронная лавина.

Временнoе разрешение пропорционального счетчика достигает 10 -7 с. Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бета- частиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Счетчики чаще всего заполняют гелием или аргоном. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с энергией менее 20 кэ. В > 80%. Для повышения эффективности регистрации более энергетичных гамма-квантов используют ксенон. При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами 3 He или 10 BF 3. Пропорциональные камеры!

Cчётчик Гейгера-Мюллера Cчётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) - газонаполненный счётчик заряженных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей. Изобретён в 1908 г. Х. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик и представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. Появление в объёме детектора даже одного электрона приводит к развитию мощного лавинообразного процесса (газовое усиление). При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010, а величина импульса десятков вольт. Плюсы - стопроцентная вероятность регистрации заряженной частицы. Минусы - длительность сигнала сравнительно велика ( ~ 10 -4 с).

Искровой счетчик Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). При этом амплитуда электрического сигнала с такого счётчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт. После разряда требуется время 10 -3 -10 -4 с для очистки рабочего газового объёма от положительных ионов. В простейшем варианте искровой счётчик представляет собой два плоскопараллельных металлических электрода, к которым приложена разность потенциалов несколько к. В. Площадь электродов – десятки квадратных сантиметров. Пространство между электродами обычно заполнено инертным газом. Разрядная искра строго локализована. Она возникает там, где появляются первичные электроны, и поэтому указывает место попадания частицы в счётчик (координату).

Искровая камера Управляемым трековый детектор, который запускается внешними счётчиками. Она представляет собой систему последовательных искровых счётчиков в виде серии параллельных металлических пластин, пространство между которыми заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами ≈ 1 см. На пластины подается короткий (10– 100 нс) высоковольтный импульс чередующейся полярности так, что между двумя соседними пластинами появляется разность потенциалов ≈ 10 к. В. Совокупность искровых разрядов формирует трек частицы. Трек может быть зафиксирован либо оптическими методами, либо электронными. Пространственное разрешение ≈ 0. 3 мм. Частота срабатывания 10 -100 Гц. Искровые камеры могут иметь длину несколько метров.

Дрейфовая камера Координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации (пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками обычно несколько сантиметров. В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере создаётся однородное электрическое поле. Внешний запуск. Далее появившиеся в объёме камеры свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке 1 к. В/см. Вблизи от анодных проволочек происходит образование лавин (газовое усиление достигает 106). Координаты частицы определяются по времени прихода лавин на анодные проволочки относительно «старта» . Пространственное разрешение порядка 0. 1 -0. 2 мм, временнoе - наносекунды. Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и сферическими, Существуют плоские камеры больших размеров. Так в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2 х 4 х 5 м 3. В ФТИ

Ядерные фотоэмульсии С появлением коллимированных пучков частиц на ускорителях стало возможно: - исследовать пробег частиц в эмульсии; - изучить зависимость плотности почернений на следах частиц от их массы, заряда и энергии. - Плотность почернений на следах протонов оказалась меньше, чем на следах α-частиц, имеющих одинаковые скорости. Было показано что плотность почернений на следах частиц зависит от удельных ионизационных потерь энергии. Это позволило идентифицировать частицы по измерениям их заряда и массы, определить энергии частиц, исследовать времена жизни и характеристики распада нестабильных частиц. Кроме пучков фотоэмульсии экспонировались космическими лучами на высоте гор и поднимались на воздушных шарах.

Камера Вильсона В камере треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления. Капли жидкости (10− 3– 10− 4 см) достаточны для фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры обычно ≈ 0. 3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0. 1– 2 атмосферы. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

Пузырьковая камера Используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль траектории заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар. Перегретое состояние достигается быстрым (5– 20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу.

• Цикл работы большой пузырьковой камеры ≈ 1 с, что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие камеры могут работать быстром режиме: 10 100 расширений в секунду. • Синхронизация моментов возникновения фазы чувствительности камеры с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя. • Пузырьковые камеры могут достигать больших размеров (до 40 м 3). • Пространственное разрешение пузырьковых камер ≈ 0. 1 мм. • Для измерения импульсов заряженных частиц пузырьковую камеру обычно помещают в магнитное поле. • Выбор рабочей жидкости зависит от требований эксперимента. - Жидкий водород. - Органические жидкости — пентан или пропан. - Жидкий ксенон (для регистрации γ-квантов).

Сцинтилляционные детекторы Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем Zn. S. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. для регистрации света используют ФЭУ, сейчас также светодиоды. Сцинтилляторы. Органические: кристаллы, пластики или жидкости. Регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. Возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области. Для согласования с фотоприемником служат светопреобразователи, которые переизлучают в видимый свет (~ 400 нм). Неорганические (кристаллы или стекла): Zn. S, Na. I(Tl), Cs. I, Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) и др. Газообразные. Используют инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Световой выход - доля энергии частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~ 5% (1 фотон на 50 э. В). У Na. I световой выход ~10% или 1 фотон на 25 э. В. Антрацен используется как стандарт светового выхода других сцинтилляторов. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50 -60% от антрацена. Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра. С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры заряженных частиц и γ-лучей. .

Сцинтилляционный счетчик Обычно коэффициент усиления ФЭУ составляет 105 -106, но может достигать 109. Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10 -8 -10 -9 сек и определяется главным образом длительностью световой вспышки. Энергетическое разрешение ΔЕ/Е не лучше нескольких процентов.

Черенковский детектор Черенковское излучени открыто П. А. Черенковым в 1934 г. и при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью v большей скорости света u в этой среде. Скорость света в среде u = c/n , где n – показатель преломления среды. Условие возникновения черенковского излучения v > c/n. Черенковское свечение является когерентным излучением диполей, образующихся в результате поляризации среды. Если частица двигается медленно, то диполи успевают поворачиваться в её направлении. Поляризация среды при этом симметрична относительно координаты частицы. И излучения отдельных диполей при возвращении в исходное состояние гасят друга. При движении частицы со "сверхсветовой" скоростью за счёт запаздывающей реакции диполей излучение диполей оказывается нескомпенсированным. Фотоны черенковского излучения испускаются под углом Θ к направлению движения частицы. cos Θ = 1/ ( n), где = v/c.

Энергия черенковского излучения мала по сравнению с её ионизационными потерями. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от единиц до нескольких сот. На цветной фотоплёнке излучение, выходящее из радиатора, имеет вид кольца сине-фиолетового цвета. Зависимость угла излучения Θ от позволяет, определяя этот угол, найти энергию частицы. можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 Гэ. В. Черенковский счетчик позволяет эффективно выделять высокоэнергичные релятивистские частицы на уровне большого фона малоэнергичных частиц. Разрешающее время черенковских счетчиков не превосходит 10 -9 с. Устройство черенковского детектора: - регистрируемая частица, 1 - радиатор, 2 - светопровод, 3 - ФЭУ

чспп

Детектор переходного излучения Этот детектор регистрирует заряженные частицы большой энергии. Переходное излучение возникает при пересечении границы раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями. Здесь излучает сама частица, а не среда. Интенсивность переходного излучения пропорциональна квадрату заряда частицы и её релятивистскому фактору γ = [1 - (v/c)2]-1/2 = E/m. (энергии). Величина угла Θ на рисунке сильно Основная часть переходного излучения расположена преувеличена. в рентгеновском диапазоне частот. Излучение сосредоточено внутри конуса Θ = 1/ γ относительно направления движения частицы.

Свойства переходного излучения позволяют определять массы и заряды частиц при очень больших энергиях (>100 Гэ. В), когда другие методы неприменимы или недостаточно эффективны. При одинаковых энергии и заряде легкие частицы, производят гораздо более интенсивное переходное излучение. Можно, например, различать электроны от пионов в диапазоне энергий от 0. 5 Гэ. В до 200 Гэ. В. Так как вероятность испускания фотона переходного излучения при однократном пересечении границы сред мала (~ 1/100), то используют слоистые или пористые радиаторы с низким атомным номером и большим числом границ раздела (до нескольких сот). Для регистрации переходного излучения чаще всего используют пропорциональные и дрейфовые камеры, а также сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Полупроводниковые детекторы (ППД) Газонаполненные детекторы имеют два недостатка: - низкая плотность газа; - велика энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе (30 -40 э. В). У сцинтилляционных детекторов также велика энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион и небольшой коэффициент преобразования энергии в электрический импульс. И здесь свою нишу получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2. 3 г/см 3) и германия (5. 3 г/см 3). В ППД определенным образом создается чувствительная область, в которой нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких к. В. Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка, в кремнии равна 3. 72 э. В при T = 80 K, германии 2. 95 э. В при T = 80 K. Использование ППД в качестве спектрометра позволяет в несколько раз улучшить энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными и сцинтилляционными счетчиками.

В детекторах заряженных частиц используют кремний и сверхчистый германий. Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 Мэ. В и альфа-частиц с энергией ~120 Мэ. В. Для германия 40 Мэ. В и ~160 Мэ. В, соответственно. Германиевые детекторы могут при этом иметь гораздо большую чувствительной область. Большие преимущества даёт применение ППД в спектрометрах γ-квантов. В этом случае применяют кристаллы сверхчистого германия объёмом до нескольких сотен см 3. Германий имеет Z = 32 и поэтому сечение взаимодействия γ-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z 5, Комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z 2). Германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77 о К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ- квантов достигает 0. 1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временнoе разрешение лучших ППД 10 -8 -10 -9 с. Ga. As!

Микроканальные пластины (МКП) Сотовые структуры, образованные большим числом стеклянных трубок (каналов) диаметром 5 -15 мкм с внутренней полупроводящей поверхностью, имеющей сопротивление от 20 до 1000 МОм. МКП представляет собой сборку нескольких миллионов канальных электронных умножителей. Налетающая частица попадает в канал, из его стенки выбиваются электроны, которые ускоряются электрическим полем,

Коэффициент усиления МКП g определяется соотношением g = exp (G*(L/d), где G - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств материала стенок канала и приложенного напряжения, L и d - длина и диаметр канала. Отношение L/d у стандартных МКП около 40 -80. Коэффициент усиления у однокаскадных МКП ~104, у двухкаскадных (шевронных) ~107, у трехкаскадных - до 109. Чтобы налетающие частицы попадали на стенки каналов, они располагаются под некоторым углом к направлению их движения (обычно 5°-15°). Размеры МКП варьируются от нескольких миллиметров до 10 см и больше. Форма МКП может быть практически любая, необходимая для конкретного приложения.

МКП имеют уникальное сочетание свойств - большой коэффициент усиления, высокое пространственное и временное разрешение. (Пространственное разрешение для однокаскадных МКП определяется диаметром канала. Временное - временем пролета электронной лавиной канала, которое меньше 1 нс. ) МКП используются в различных областях (электронная спектроскопия и микроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская астрономия, ядерные исследования. . . ). В общем случае детекторы на базе МКП состоят из трех частей: конвертора, собственно сборки МКП, вывода данных. Использование МКП накладывает довольно жесткие требования к вакуумной системе. Для их нормальной работы требуется давление около 6. 5. 10 -4 Па (5. 10 -6 торр). По сравнению с ФЭУ, МКП имеют малые габариты, лучшие временные характеристики и заметно меньшую чувствительность к магнитным полям.

Калориметры предназначены для измерения полной энергии высокоэнергичных (в том числе и нейтральных) частиц и пучков. Детекторы с газовой и жидкой рабочей средой, однородные твёрдотельные детекторы (сцинтилляторы, ППД и др. ). Проблема размеров. Один из видов калориметра для Решается использованием “сэндвичей”. регистрирации космических лучей Поглотители - железо, свинец, уран. высокой энергии. Детекторы - твёрдые сцинтилляторы или свинцовые стёкла. Если обеспечить размеры калориметра достаточные для остановки и поглощения всех вторичных частиц, то задача будет решена сбором и суммированием всех сигналов с детектирующих слоёв.

Калориметры делятся на два класса – электромагнитные (ЭМК) и адронные (АК). Электромагнитные калориметры служат для измерения энергии электронов, позитронов и фотонов с энергией больше 100 Мэ. В (мюонов). Толщина ЭМК – десятки сантиметров. В адронных калориметрах первичный адрон производит главным образом вторичные адроны. Адронные ливни имеют бoльшие размеры, толщина АК может достигать нескольких метров. Проблемы: - бoльшие флуктуациям в числе и типе вторичных частиц; - небольшая доля энергии первичного адрона остаётся в детекторах АК. энергетическое разрешение АК в десятки раз хуже ЭМК. Энергетическое разрешение ΔЕ/Е пропорционально E-1/2, т. е. улучшается с ростом энергии. При энергии частицы 100 Гэ. В оно составляет доли процента для ЭМК и проценты для АК. Временнoе разрешение калориметра определяется “быстродействием” детекторов.

Трековые и координатные детекторы. Трековыми называют детекторов, в которых заряженная частица оставляет визуально наблюдаемый след (трек) этой частицы. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого процесса. Есть группа детекторов (многопроволочная пропорциональная камера, дрейфовая камера, полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые другие), в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть координатными. Координатные детекторы часто используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов. Центральные детекторы продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения и определяют направление их вылета. Более габаритные детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации вторичных частиц и определения их характеристик (координат, импульсов, энергий и др. ).

Типичные пространственные и временные характеристики трековых и координатных детекторов Пространственное Временнoе Мертвое время, Тип детектора разрешение, мм разрешение, сек Эмульсии 10 - 3 - Камера Вильсона 0. 3 0. 1 0. 01 Пузырьковая 0. 1 10 -3 0. 1 камера Искровая камера 0. 1 -0. 3 10 -6 10 -8 Стримерная 0. 2 -0. 3 2. 10 -6 0. 1 камера Пропорциональна 0. 05 -0. 3 10 - 9 -10 -8 2. 10 -7 я камера Дрейфовая камера 0. 1 -0. 2 2. 10 - 9 10 -7 Кремниевые 0. 01 -0. 02 10 - 8 10 -8 микрострипы

Детекторные комплексы физики высоких энергий Детекторы состоят, как правило, из нескольких структур, входящих в состав единого регистрирующего комплекса. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с определенными характеристиками. Затем восстанавливаются такие характеристики частицы как её тип, энергия, импульс, характеристики распада.

Детектор ATLAS, для регистрации продуктов рр-столкновений на LHC. Внутренний детектор (Inner Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6. 5 м. Он помещен в сверхпроводящий соленоид. Два типа детектирующих устройств: 12 тысяч кремниевых микростриповых детекторов в криостате и детектор переходного излучения, состоящий из 400 тысяч. тонких газонаполненных дрейфовых трубок диаметром 4 мм. Точность определения координаты частицы во внутреннем детекторе 1 - вакуумная труба, в которой составляет 0. 01 мм и 0. 15 мм. происходит ускорение частиц; 2 - трековый детектор; 3 - соленоидальный магнит; 4 - электромагнитный калориметр; 5 - адронный калориметр; 6 - мюонный детектор

Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров. Калориметрия играет важную роль в установке ATLAS. Она обеспечивает прецизионное измерение энергии электронов, фотонов, “струй” адронов и “недостающей” энергии, уносимой нейтрино или другими гипотетическими нейтральными слабовзаимодействующими частицами. В электромагнитном калориметре использован жидкий аргон. Адронный калориметр в более приближенной к центру части собран из железных пластин, прослоенных сцинтилляторами. Модули торцевых адронных калориметров в качестве вещества поглотителя используют жидкий аргон. Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны. Основным типом детекторов в мюонной системе являются дрейфовые трубки диаметром 3 см. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), “сшиваются” с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц.

Установка ATLAS размещена под землей на глубине 100 м. Соударения протонных пучков (банчей) будут происходить каждые 25 наносекунд, т. е. с частотой 40 МГц. При каждом столкновении пучков будет происходить 25 протонных соударений. Детектор ATLAS будет выдавать огромный объём информации. LHC будет создавать в центре детектора почти 109 протон-протонных столкновений в секунду. Такому числу рр-столкновений отвечает объем информации, превышающий 40 миллилонов мегабайт. Однако лишь несколько событий будут представлять интерес для исследователей. По оценкам их должно быть меньше 100 в секунду. Использована специальная многоуровневая компьютерная система. Выбранные события подвергнутся особо тщательному off-line анализу. Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 106 гигабайт в год), будет делиться среди примерно 2000 физиков из 34 стран. Вычислительные ресурсы, необходимые для такого анализа, эквивалентны более чем 10 000 РС Pentium III с частотой 500 МГц. Для успешной обработки будут использованы самые последние достижения компьютерных технологий и операционных систем.