Физика атома атомного ядра и элементарных частиц 39

Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц 39. (0). Детекторы частиц (счетчики и трековые регистраторы).

История прогресса ядерной физики - это в значительной мере история создания все более совершенных детекторов. Существующие детекторы можно подразделить на счетчики и следовые (трековые) регистраторы. Счетчик регистрирует факт прохождения частицы через определенный участок пространства (с макроскопической точностью) в определенный момент времени. Кроме этого, некоторые виды счетчиков могут определять энергию частицы. Примеры счетчиков: газонаполненные детекторы (ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера-Мюллера), черенковский счетчик, сцинтилляционный, полупроводниковый.

Параметры счетчиков Эффективность - это отношение числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, пролетевших через счетчик). Разрешаемое время (или "мертвое время") - минимальный промежуток времени, который должен разделять две следующие друг за другом частицы, чтобы счетчик не зарегистрировал их как одну частицу. Разрешающая способность по энергиям: минимальный интервал Е между энергиями двух частиц, который счетчик способен различить.

В следовых регистраторах частица оставляет след (трек), который можно сфотографировать, поэтому такой регистратор дает гораздо большую информацию по сравнению со счетчиком (энергию, импульс, заряд, массу, направление движения, столкновения с другими частицами, распад и др. ), но требует трудоемкую обработку результатов. Примеры трековых регистраторов: ядерные фотоэмульсии, камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера. Наиболее совершенный в настоящее время детектор - искровая камера - в некотором смысле объединяет достоинства трековых регистраторов и счетчиков.

Важнейшие характеристики трековых регистраторов Эффективный объем: определяет максимальную энергию частицы, трек которой может уместиться в данном регистраторе (чем больше, тем лучше). Число рабочих циклов в единицу времени. Чувствительность (минимальная ионизирующая способность частицы, при которой ее трек становится заметным). Управляемость: возможность быстрого включения в тот момент времени, когда это необходимо.

Схема газонаполненного детектора 1 - траектория заряженной частицы, 2 - создаваемые этой частицей ионы, 3 - электроды, 4 - регистратор тока.

Зависимость величины импульса тока от напряжения в газонаполненном детекторе Кривая 1 соответствует частицам с большей энергией, чем кривая 2

Ионизационная камера - старейший прибор для регистрации заряженных частиц. Ионизационные камеры бывают двух типов: импульсные и непрерывного действия (интегрирующие). В импульсной камере измеряется импульс тока, создаваемый одиночной частицей, а в интегрирующей - суммарный ионизационный ток, создаваемый потоком частиц. Интегрирующие камеры наиболее просты, т. к. измеряемый ими ток является макроскопической величиной. Импульсные камеры сложнее, т. к. величина импульса тока, создаваемого одиночной частицей, имеет порядок милливольт, и для его измерения требуется специальный малошумящий усилитель. Эффективность обоих типов ионизационной камеры (как и у других газонаполненных детекторов) близка к 100%.

Импульсная ионизационная камера может различать частицы по энергиям, т. к. величина импульса зависит от энергии влетевшей в камеру частицы; точность составляет примерно 2 -3%. С помощью такой камеры в 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли спонтанное деление ядер урана. Недостаток ионизационной камеры -большой промежуток времени, который должен разделять две следующие друг за другом частицы ("мертвое время"): примерно 10 -3 секунды.

Схема счетчика Гейгера-Мюллера 1 - анод (нить), 2 - катод (стенки счетчика)

Рабочая область счетчика Гейгера-Мюллера Характеристики: эффективность близка к 100%, разрешающее время 10 -6. . . 10 -7 секунд. Однако счетчик не может различать частицы по энергиям.

Сцинтилляционные (люминесцентные) счетчики Характеристики: эффективность почти 100%, "мертвое время" 10 -7 - 10 -9 секунд (в зависимости от типа сцинтиллятора), точность измерения энергии примерно 10%.

Полупроводниковые счетчики Характеристики: эффективность 100%, "мертвое время" 10 -9 секунд, очень высокая точность измерения энергии: до 0. 2%.

Камера Вильсона Это старейший тип трекового регистратора, сыгравший огромную роль в истории ядерной физики. В настоящее время применяется, в основном, для учебных демонстраций из-за малого эффективного объема, не позволяющего изучать частицы высоких энергий. 1 - стеклянный цилиндр, 2 - рабочий объем камеры, 3 - поршень, 4 фотоаппарат, 5 - источник света, 6 - трек частицы

Пузырьковая камера Огромный эффективный объем, благодаря которому были сделаны фундаментальные открытия, связанные с исследованиями нейтрино. Недостатки: трудоемкость обработки результатов экспериментов и высокая стоимость камеры.

Искровая камера Наиболее совершенный (но и наиболее дорогой) в настоящее время детектор, объединяющий достоинства трековых регистраторов и счетчиков. Эффективный объем практически неограничен. Позволяет автоматизировать обработку результатов экспериментов.