4. Методы регистрации элементарных частиц
4.1. Общий принцип регистрации элементарных частиц
Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы (α, d и т.п.), удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяют судить о знаке заряда частицы, энергии, импульсе и т.п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные следов не оставляют, но могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром.
В итоге общие принципы регистрации основаны на: обнаружении факта пролета, анализе ионизации молекул, анализе траектории полета (следа, трека), анализе распада.
4.2 Классификация приборов регистрации элементарных частиц
Детекторы элементарных частиц в современной физике разделяются на следующие типы:
Детекторы для радиационной защиты
Детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц
Годоскопические камеры
Ионизационный калориметр
Пропорциональная камера
Искровая камера
Время-пролетный счетчик
RICH (детекторы, регистрирующие кольца от черенковского излучения)
Детектор переходного излучения
Счетчики
Оптические счетчики
Сцинтилляционный счетчик
Детектор черенковского излучения
Твердотельные счетчики
Полупроводниковый детектор
Кристаллический детектор
Газонаполненные счетчики
Газовый ионизационный детектор
Ионизационная камера
Пропорциональная камера
Счетчик Гейгера-Мюллера
Искровой детектор
Трековые детекторы
Диффузионная камера
Стримерная камера
Времяпроекционная камера
Микростриповая камера
Масс-анализаторы
Масс-сепаратор
Масс-спектрометр
Масс-спектрограф
Рассмотрим некоторые из них, стараясь выбрать из списка наиболее устаревшие, так как их устройство проще и понятнее.
Годоскопические камеры – это инструмент наблюдения трека частиц. К одной из них относится, ныне устаревшая, Искровая камера. Сконструирована Краншау и де-Биром в 1957 г. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другу металлических электродов.
Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10-7) высоковольтный импульс (10-15 кВ). если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, её путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем исследуемых частиц.
Счетчики предназначены для регистрации наличия элементарных частиц. Счетчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) - газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908 г. Х. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером.
Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010, а величина импульса десятков вольт.
Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (≈ 10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.
Трековые детекторы имеют тот же смысл что и годоскопические камеры, но более совершенны в своем исполнении. Как не трудно судить по названию, они нужны для регистрации трека заряженной частицы. Одной из разновидностей является стримерная камера. В отличие от искровой камеры в этой камере высокое напряжение снимается раньше, чем успевает развиться полностью искра. Поэтому возникают лишь зародышевые искры, которые образуют отчетливый след.
Масс-анализаторы позволяют физически различать компоненты на основе ионизации. Например, масс-спектрометр физически различает компоненты на основе характеризирующего их отношения массы к заряду и, измеряя интенсивность ионного тока, производить отдельный подсчёт доли каждого из компонентов.