48. Какие материалы используются как радиаторы переходного излучения?

Так как сечение поглощения рентгеновского излучения в веществе пропорционально Zⁿ, n=4-5, пластинки должны изготавливаться из материалов с возможно малым Z. Очень подходит литий, но из-за трудностей работы с ним он используется редко. Обычно используются органические пленки типа полиэтилена, майлара и др. Возможно также использование пористых материалов типа пенопласта, пенополиуретана и др. Содержащиеся в них в большом количестве пузырьки воздуха являются естественными границами, на которых происходит переходное излучение. Одновременно такие материалы могут использоваться как конструкционный элемент детектора. Такой принцип используется, например в центральном трекере эксперимента ATLAS на LHC.

49. Какие детекторы используются для регистрации рентгеновского переходного излучения?

В принципе могут использоваться любые детекторы, но важно, чтобы в них присутствовали материалы с большим Z (см. выше). Чаще всего сейчас используются газовые ионизационные детекторы, в которых к рабочему газу добавляется ксенон.

50. Какие конструкционные особенности у детекторов переходного излучения?

Детекторы переходного излучения могут содержать тысячи слоёв вещества, и даже если они сделаны из материала с малым Z, вероятность поглощения в них рентгеновского фотона может быть заметной. Поэтому часто используется модульная конструкция, когда после каждых 300-500 слоёв радиатора располагаются детекторы рентгеновского излучения.

51. Насколько чисто детекторы переходного излучения позволяют идентифицировать электроны?

Обычно самой сложной задачей в экспериментах является разделение пионов и электронов. Детекторы переходного излучения позволяют в десятки и даже сотни раз подавить фон от пионов при эффективности регистрации электрона ~90%, то есть, вероятность ошибочной идентификации пиона как электрона составляет ~1%.

52. Как устроены и работают полупроводниковые детекторы?

В физике высоких энергий чаще всего используются полупроводниковые детекторы с р-n переходом. На границе между кремнием р-типа, обладающим дырочной проводимостью, и n-типа с электронной проводимостью за счет диффузии дырок и электронов возникает тонкий (несколько мкм) слой, обеднённый носителями заряда и имеющий высокое сопротивление. Благодаря диффузии на границе возникает небольшое электрическое поле, обеспечивающее динамическое равновесие потоков дырок и электронов из одного типа кремния в другой. Под действием внешнего поля обедненный носителями заряда промежуток может быть увеличен до 100-300 мкм. Эта величина пропорциональна V^1/2, где V - приложенное к детектору обратное напряжение.

Обеднённый носителями заряда слой действует как ионизационная камера: Образованные в нём пролетающей частицей электроны и дырки, дрейфуют в противоположных направлениях, наводя сигнал на электродах.

53. Сколько энергии тратит частица на образование одной пары электрон-дырка?

Для кремния - 3.7 эВ. Эта величина в ~10 раз меньше той, которая затрачивается частицей на образование пары ион-электрон в газах. Поэтому, проходя одинаковую в гсм² толщину вещества, частица образует в кремнии примерно в 10 раз больше свободных зарядов.

54. Какова скорость дрейфа электронов и дырок в кремнии?

Скорость дрейфа электронов и дырок пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью, составляет для в кремния 1350 см²/ Vс для электронов и 450 см²/ Vс - для дырок. T.e. скорости дрейфа электронов и дырок по порядку величины одинаковы, что ещё вдвое увеличивает величину сигнала по сравнению с газовыми ионизационными детекторами, в которых из-за очень малой скорости дрейфа ионов используется только электронная составляющая сигнала.

55. Какое время требуется для сбора дырок и электронах в кремниевых детекторах?

При толщине детектора (обеднённого слоя) 300 мкм электроны собираются за ~10 нс, а дырки - за ~25нс. Таким образом, полупроводниковые детекторы являются "быстрыми" приборами.

56. Для чего применяются полупроводниковые детекторы в экспериментах на ускорителях?

В основном для прецизионного (до нескольких мкм) определения координат частиц. Для этого электроды детектора делаются секционированными либо в виде тонких (10-30 мкм) полосок (стрипов), либо в виде малых ячеек (пэдов). Пространственное разрешение ограничивается диффузией зарядов в поперечном направлении и пробегами дельта-электронов. Все крупные многоцелевые современные коллайдерные установки имеют в составе трековой системы слои полупроводниковых детекторов, расположенных вблизи места соударения встречных пучков. Одно из важных их применений - восстановление вершин и идентификация короткоживущих (10^-11-10^-12 с) частиц, например В-мезонов.

10