Трековые камеры и счетчики.
Трековые камеры:
камера Вильсона
пузырьковая камера
искровая камера
ионизационная камера
Счетчики:
счетчик Гейгера - Мюллера
сцинтилляционный счетчик
Камера Вильсона основана на том, что ионы, создаваемые в воздухе пролетающей микрочастицей становятся ядрами для перенасыщенного газа. Поршень служащий дном камеры, быстро выдвигался вниз. Электрически заряженные ионы, имевшиеся в камере, служили при этом центрами конденсации пара, и вокруг них образовывались капельки тумана. Если эти ионы получались от пролета заряженной частице,то в камере был ясно виден трек.
Перегретая жидкость используется в пузырьковых камерах для визуализации треков релятивистских заряженных частиц т.е частиц движущихся со скоростями света. В жидкости где молекулы плотно упакованы такие частицы создают значительно больше ионов, чем в газах и трек может быть зарегистрирован.
По существу искровая камера- это набор параллельных плоских проводящих пластин, соединенных с источником постоянного высокого тока. На пластины камеры через одну накладывают кратковременно постоянное высокое напряжение, в то время как остальные пластины, находящиеся между ними, заземлены. При этом начинаются электрические разряды вдоль мест расположения ионов, рак что траектория данной элементарной частицы, пролетающей через искровую камеру, оказывается очерченной серией искр. Искры фотографируются на стереофотографмях.
Ионизационная камера основана на возникновении газового разряда при ионизации газа движущийся заряженной микрочастицей. Если в конденсатор влетит заряженная микрочастица, то производимая ею ионизация таза вызовет газовый разряд. В цепи конденсатора пройдёт кратковременный ток, сопровождающийся падением напряжения на резисторе.
Самый распространненый детектор ионизирующего излучения. До сих пор, изобретенный в начале XX века для нужд зарождающийся ядерной физики, нет, как это не странно полноценной замены. В основе счетчик Гейгера прост. В хорошо вакумированной герметичный болон с двумя электродами введена газовая смесь, состоящая в основном из легко ионизированного неона и аргона. Болон может быть стеклянным, металлическим и др.
Сцинтилляционный счетчик основан на радиолюминиценции т.е на флуореценции вещества под ударами частиц радиоактивного излучения. Он представляет собой совокупность прозрачного кристалического люминатора. Счетчик действует следующим образом. Микрочастица падая на сцинтилятор вызывает в нём кратковременную вспышку. Вырванные электроны летят к аноду и выбивают из него несколько электронов. В результате возникает значительный импульс тока.
Разновидности и устройство счетчиков частиц.
С открытия в конце XIX века первой элементарной частицы электрона уже более ста лет физики придумывают все новыеи новые приборы для изучения этих мельчайших единицматерии.
Проще всего регистрировать заряженные частицы, поэтому их и открыли раньше. Их выдает ионизационный след, оставляемый электронно-ионными парами вдоль своего пути. За электроном, обнаруженным в потоке лучей разрядной трубки, вскоре были открыты протон (ядро атома водорода), а-частица (ядро атома гелия), ядра других элементов и целая плеяда элементарных частиц, от сравнительно легких мезонов до тяжелых гиперонов и еще более массивных частиц, в состав которых входят тяжелые кварки Прямая регистрация нейтральных частиц невозможна: они вещество не ионизуют и дают знать о себе только в ходе взаимодействий с образованием заряженных частиц, которые их «засвечивают». Так был открыт нейтрон (по протонам отдачи), гамма-квант (по электрон-позитронным парам) и многие другие «нейтралы».
Приборы, «улавливающие» частицы, делятся на две группы счетчики и камеры.
Счетчики фиксируют факт прохождения частицы, определяя момент времени (иногда с высокой, до наносекунд, 10-9 с, точностью), величину теряемой энергии, а если из них составить «телескоп», связанный электронной схемой совпадений, то и направление прилета частицы. Хорошо известны газоразрядный счетчик Гейгера, пропорциональный счетчик, сигнал которого служит мерой ионизационных потерь частицы; семейство сцинтилляционных счетчиков. В неорганических сцинтилляторах (кристаллы NaI, CsI и др.), их органических (антрацен и др.) и пластических (полистирол и др.) аналогах под действием заряженных частиц возникают вспышки люминесценции. Это слабое свечение в миллионы раз усиливают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Полупроводниковые счетчики, сигнал которых образуют пары электрон-дырка в слое полупроводника, по чувствительности превосходят сцинтилляторы. Лучшие из них - кристаллы германия, активированные литием, (Ge(Li), - измеряют энергию частицы с точностью 0,10/0, но имеют ограниченный размер и требуют глубокого охлаждения. Стриповые детекторы, получившие широкое применение в последние годы, - это разновидность полупроводниковых счетчиков в виде узких полос кремния на твердой подложке. Их взаимноперпендикулярные слои позволяют измерять координатычастиц с точностью до десятка микрон.
Ионизационная камера, один из самых древних детекторов, это, по сути дела, счетчик, который измеряет полный заряд, созданный частицей в результате ионизации. Различные ее модификации (газовые, жидкостные) до сих пор при меняются для измерения энергии частиц и их пучков, особенно часто в дозиметрии. Ксеноновая камера высокого давления, несколько уступая по энергетическому разрешению кристаллам Ge(Li), не ограничена размерами и не требует охлаждения, что особенно ценно для постановки экспериментов на спутниках.
Еще более чувствительны черенковские счетчики, улавливающие когерентное излучение частицы, движущейся со скоростью большей скорости света в среде. Их последнее достижение - так называемые RIСН-детекторы (ring imajing Cherenkov), «видящие» не отдельные фотоны, а все кольцо черенковского света, что позволяет измерить многие свойства регистрируемой частицы. К этому классу детекторов относятся и ТRD-детекторы (transition radiation detector), счетчики переходного излучения, возникающего при пересечении заряженной частицей границы двух сред. Они выделяют ультрарелятивистские частицы (скорость которых очень близка к скорости света) в огромном потоке частиц и все шире поименяются на ускорителях высоких энергий.
Ансамбль счетчиков, размещенный в потоке регистрируемых частиц, образует так называемую годоскопическую установку, которая позволяет проследить путь каждой отдельной частицы, а помещенная в магнитное поле - измерить ее импульс и знак заряда. Счетчики прослаиваются калориметрами - устройствами, измеряющими энергии частиц по образованному ими ливню электронов, позитронов, фотонов в веществе. Счетчики, включенные в «систему времени пролета», измеряют скорость частицы. Современные установки на ускорителях, насчитывающие тысячи счетчиков, дают пространственную картину события - рождения множества вторичных частиц, их распадов и взаимодействий, возникающих при попадании ускоренной частицы в мишень.
Камеры, или трековые детекторы, - это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами. Первым трековым детектором была широко известная камера Вильсона (в иностранной литературе - «туманная камера»). Принцип ее действия заключается в образовании капелек тумана на ионизационном следе частицы в переохлажденном паре после резкого сброса давления. Камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, стала одним из главных физических приборов начала прошлого столетия; эксперименты с нею привели ко многим фундаментальным открытиям.
Позднее роль лидера измерительной техники перешла к пузырьковой камере, в которой треки частиц создавали микроскопические пузырьки газа в перегретой жидкости. Пузырьковые камеры, особенно наполненные жидким водородом (протонные мишени), способствовали получению выдающихся результатов в ускорительных экспериментах. Известная жидководородная камера Мирабель (самая большая в мире) работала на многих ускорителях, в том числе на синхрофазотроне ИФВЭ (Протвино). Недостатки термодинамических камер (Вильсона, пузырьковой) - малое быстродействие и невозможность автоматизации данных, что стало заметным препятствием после введения в эксперимент компьютера как управляющего и обрабатывающего центра.
Особое место занимает фотоэмульсионная камера (развитие метода ядерной фотоэмульсии) - рекордсмен по точности измерения координат (до 1 микрона), но совершенно не приспособленная для работы со счетчиками и компьютером. Данные с нее приходится обрабатывать вручную.
На смену ей пришли электроразрядные устройства, резко повысившие эффективность использования ускорительных пучков (за счет быстродействия и возможности «стыковки» со счетчиками частиц): искровые и их разновидность стримерные камеры. Искры истримеры - цепочки отдельныхразрядов - с высокой точностью следуют по ионизационномуследу, даже имеющему форму дуги при движении частицы вмагнитном поле. Различные виды искровых и стримерныхкамер участвовали в важных экспериментах, но все же болееуниверсальным и гибким средством, отвечающимсовременным требованиям, оказались многопроволочныекамеры - пропорциональные, дрейфовые и другихмодификаций.
Регистрация нейтральных частиц осуществляется теми же методами, что и заряженных (счетчики + камеры), только с учетом того, что прежде они должны создать заряженные частицы.
Особое место занимают детекторы нейтрино - частиц, не участвующих ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, их поток может проходить слой свинца в тысячи астрономических единиц. Вероятность их взаимодействия с веществом на много порядков меньше, чем у заряженных частиц. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Чтобы снизить фон от посторонних заряженных частиц, нейтринные детекторы располагают под большими толщами вещества (подземные и подводные установки). Широкую известность получили детекторы солнечных нейтрино - Homestake (хлор-аргонный детектор Дэвиса, США), Kamiokande (Япония), а также российские галлий-германиевый детектор в Баксане и установка«Байкал» в прозрачных водах знаменитого озера.
Иллюстрация "Счетчик Гейгера" .
В стеклянную трубку, заполненную газом при давлении 100200 мм рт. ст., помещены два электрода - анод в виде тонкойнити и цилиндрический катод на стенке трубки, к которымприложено постоянное напряжение в несколько сотен вольт.
При попадании в трубку заряженной частицы газ ионизуется. Свободные электроны движутся с ускорением к аноду, производя вторичную ионизацию газа. Возникает разряд, вызывающий появление электрического импульса.
Иллюстрация "Сцинтилляционный счетчик".
При попадании заряженной частицы в сцинтиллятор (кристалл, кювету с жидкостью или слой пластика) в нем возникает слабая вспышка люминесценции. Ее свет через световод поступает в фотоэлектронный умножитель, вырабатывающий электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна потере энергии налетающей частицы.
Иллюстрация "Черенковекие счетчики нейтринного детектора (Лос- Апамое, США)".
В емкость заливается 167 тонн минерального масла с примесью сцинтиллятора. При взаимодействии нейтрино с атомами вещества образуются электроны высокой энергии, скорость которых больше скорости света в среде. При их движении возникает свечение, распространяющееся в виде конуса. Его регистрируют 1220 фотоумножителей на стенках ёмкости.
Иллюстрация "Пузырьковая камера".
Емкость заполнена хорошо очищенной жидкостью. Центры образования пара в жидкости отсутствуют, поэтому ее можно перегреть выше точки кипения. Но проходящая частица оставляет за собой ионизованный след, вдоль которого жидкость вскипает, отмечая траекторию цепочкой пузырьков. В современных камерах используются жидкие газы - пропан, гелий, водород, ксенон, неон и др. На снимке: пузырьковая камера, сконструированная в ФИАНе. 1955-1956 годы.
Иллюстрация "Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS".
Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS, созданная для работы на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), который строится в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В этом гигантском сооружении высотой с восьмиэтажный дом собрана аппаратура для регистрации взаимодействий адронов - элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном взаимодействии. Это детекторы мюонов 1, трековый детектор переходного излучения 8, электромагнитные и адронные калориметры З, 4, 7, огромные сверхпроводящие магниты 2, 5, 9. Детекторы закрыты мощным слоем радиационной защиты 6. Все устройства выполнены с точностью до 100 микрон, должны работать синхронно в условиях сильных полей и потоков фотонов и нейтронов плотностью 107 см2/с многие годы. ATLAS регистрирует все частицы, приходящие в детектор под любыми углами, одновременно фиксируя их характеристики. Основа всей установки - детектор переходного излучения, предназначенный для регистрации следов ультрарелятивистских частиц и их классификации по рентгеновскому излучению, возникающему при их переходе границы двух сред (здесь - воздух-полипропилен), явлению, открытому в 1950-х годах В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком. Детектор состоит из 400 тысяч трубок диаметром 4 мм и с четырехслойными стенками толщиной 28 мк. По принципу работы они напоминают счетчик Гейгера: трубка наполнена газовой смесью, по ее оси проходит тонкая проволока поднапряжением +1500 В. Частица ионизует газ, электрон дрейфует к проволоке (аноду). Возникший сигнал считывает быстродействующая аппаратура, фиксирующая время прихода и координату с точностью около 1 нс И 100 мк. Весь детектор занимает объем несколько кубических метров и позволяет регистрировать и распознавать «сорта» примерно 10 млрд частиц ежесекундно.
