6. Электромагнитные измерения (способы регистрации радиоизлучения, методы регистрации в оптическом диапазоне: фотодиоды, фотоумножители, черенковские детекторы)

Способоы регистрации радиоизлучения

Радиоволны - электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц (соответственно, длины волн от 10 000 000 км до 0,1 мм).

Антенна – устройство для излучения или приёма радиоволн.

Простейшая антенна – диполь Герца. Колебательный контур с минимальной ёмкостью и индуктивностью. Длинная линия, с разведёнными проводниками так, что длина каждой из частей λ/4 (две части по λ/4  когда на одном конце +U₀, на другом конце будет -U_0, то есть в этом случае разброс напряжений будет максимальным). Поскольку близость проводников нарушена, линия начинает излучать. Длина волны примерно в два раза больше самой антенны Наименьший из применявшихся Герцем вибраторов (0,26 м) позволял получить колебания с частотой порядка 5⋅10⁸ Гц, что соответствует длине волны в 0,6 м. Герц также помещал вибраторы в фокусе вогнутых зеркал для получения направленных плоских волн и использовал призмы.

Возможны режимы, в которых антенна излучает или принимает волны, длина которых несколько раз укладывается на длине антенны. Это влияет на диаграмму направленности.

Для обеспечения необходимых характеристик (в первую очередь диаграммы направленности) антенны делают штыревые, рупорные, щелевые… Иногда антенна – это часть волновода. Дополнительно могут использовать отражатели.

Электромагнитные волны индуцируют ток в антенне. Сигнал с антенны передаётся на колебательный контур напрямую, либо через волновод. Сигнал может подаваться на колебательный контур, с переменным параметром (чтобы подстраивать резонансную частоту). Чаще всего изменяется ёмкость. Далее сигнал усиливается и измеряется. Есть методы программно определяемого радио (SDR), когда сигнал измеряется практически прямо на антенне, а дальше обрабатывается программно.

Простейший детекторный приёмник:

Фотодиоды

Фотодиоды приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Работает за счёт фотовольтаического эффекта: атом в основном состоянии поглощает фотон; в результате один из электронов переходит на более высокий энергетический уровень, где становится свободным, при этом в самом атоме образуется дырка. Геометрия полупроводников подобрана таким образом, чтобы после выбивания электрона он не мог сразу рекомбинировать с дыркой. В итоге дырки уходят в P-область, а электроны остаются в n-области.

Фотодиоды могут работать в разных режимах:

• Фотогальванический — без внешнего напряжения.

• Фотодиодный — с внешним обратным напряжением.

Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n.

Пределы измерения: световой поток 10 - 10⁶ люмен (мощность в 4pi на определённой длине волны * 683)

Чувствительность: 10^-2 А/лм. (В лампе накаливания 100 Вт ~ 1000 Люмен)

Инерционность: до 10^-2 с (вроде бы есть быстрые диоды могут отрабатывать единицы нс).

Фотодиод обладает ограниченным спектром. Характерная ширина спектра ~500 нм.

Фотоумножители

Фотон выбивает из фотокатода электрон, который разгоняется электрическим полем и выбивает из динода ещё электроны, которые будучи разогнанными выбивают ещё электроны и т.д. В результате один фотон может породить вполне ощутимый ток (коэффициент усиления 10³ - 10⁸). Недостатком фотоумножителей является необходимость использования высоких напряжений – более 1 кВ.

Предел измерений по освещённости: 10^-3 – 10 лм.

Чувствительность: 1 - 10⁴ А/лм

Черенковские детекторы

Черенковский детектор, или детектоp черенковского излучения, — детектор элементарных частиц, использующий детектирование черенковского излучения. Позволяет косвенным образом определить массы частиц или отделить более лёгкие частицы (дающие черенковское излучение) от более тяжёлых (не излучающие).

Заряженная частица перемещаясь в среде поляризует частицы среды, возвращаясь в нормальное состояние те излучают электромагнитные волны. 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 друг друга. Т.е. медленные частицы не излучают.

В случает, если частица, распространяющаяся в среде со скоростью больше, чем скорость света, итоговая поляризация оказывается несимметричной относительно местоположения частицы и излучение диполей не скомпенсировано.

В итоге излучается в конусом (что-то типа конуса Маха для звука). Угол распространения света:

c - скорость света, v - скорость частицы, а n — показатель преломления среды.

Определив направление распространения света, можно найти скорость частицы.

Излучение регистрируется фотоэлектронными умножителями.

Можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 ГэВ.

Пороговые детекторы строят из нескольких радиаторов (сред для распространения) с разными коэффициентами преломления, которые по наличию излучения позволяют последовательно отсеивать классы частиц.

Дифференциальные детекторы позволяют отсеивать фотоны, распространяющиеся под большими углами за счёт полного внутреннего отражения оставив таким образом только углы (и следовательно скорости) из некоторого диапазона.

Если сделать радиатор тонким, то фотоны будут излучаться кольцом, радиус которого будет зависеть от скорости частицы.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/cherenk.htm