Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / ОнучинОП_Экспериментальные_методы_ядерной_физики_НГТУ_2014_

УДК 539.1 (075.8) О–596

Рецензенты:

Ю. А. Тихонов, д-р физ.-мат. наук, проф.; А. В. Бурдаков, д-р физ.-мат. наук, проф.

Работа подготовлена на кафедре электрофизических установок и ускорителей

«Учебники НГТУ»).

ISBN 978–5–7782–1232–9

Учебник написан на основе курса лекций, который автор читает в течение многих лет магистрантам физико-технического факультета НГТУ. Книга состоит из трех частей, посвященных теории прохождения частиц через вещество, приборам для регистрации частиц и методам обработки экспериментов. Значительная доля материала по приборам основана на новых работах, опубликованных в журналах и еще не вошедших в монографии.

Книга представляет интерес для студентов старших курсов университетов, а также для научных сотрудников, занимающихся экспериментальными исследованиями в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

УДК 539.1 (075.8) ISBN 978–5–7782–1232–9 © Онучин А. П., 2010

© Новосибирский государственный технический университет, 2010

UDC 539.1 (075.8)

O–596

Reviewers:

Prof. Yu. A. Tikhonov, D. Sc. (Phys. & Math.);

Prof. A. V. Burdakov, D. Sc. (Phys. & Math.)

The manual has been written at the Department of Electrophysical Installations and Accelerators

O–596 Onuchin A. P.

Experimental methods of nuclear physics : manual / A. P. Onuchin. — Novosibirsk : NSTU Publisher, 2010. — 220 p. («NSTU Textbooks» series).

ISBN 978–5–7782–1232–9

This book is written on the basis of a course of lectures, that the author has been reading for many years to the students of senior courses of the Physical Engenineering Faculty of the Novosibirsk State Technical University. The book consists of three parts devoted to the theory of passage of particles through matter, the instruments for detection of particles, the methods of processing of experimental data. The part devoted to instruments includes a lot of material that is based on recent journal papers and not included in the monographs yet.

The book should be of interest for the students of senior courses of universities, and also for the researchers engaged in experimental investigations in the field of nuclear and elementary particle physics.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.2.Формула Бете—Блоха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.1.3.Область малых скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.1.4.Область релятивистских скоростей. Эффект плотности . . . 29

1.1.5.Минимальные ионизационные потери . . . . . . . . . . . . . . 30

§1.2. -электроны. Первичная и полная ионизация . . . . . . . . . . . . . 31

1.2.1.Число -электронов. Формула Резерфорда . . . . . . . . . . . 32

§1.3. Флуктуации ионизационных потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.3.1.Флуктуации Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.3.2.Флуктуации Ландау . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

8

3.3.2.Энергетическое и угловое распределение рассеянных -квантов 61

3.3.3.Энергетическое и угловое распределение электронов . . . . . 63

§4.3. Экспериментальные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3.1.Камера Вильсона в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3.2.Эксперименты Хофштадтера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

§4.4. Метод Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

§5.3. Кварки. Адроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

§5.4. Протон. Ядерный пробег . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

§5.5. -мезон. Ядерный пробег . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

§5.6. Нейтрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.6.1.Основные свойства нейтрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

§6.2. Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

§6.3. Сцинтилляторы. Основные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.3.1.Конверсионная эффективность . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.3.2.Отношение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.3.3.Время высвечивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.3.4. Классификация сцинтилляторов. Механизм сцинтилляций . 87

§6.4. ФЭУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4.1.Фотокатод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4.5.Схемы включения ФЭУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

§6.5. Амплитудное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.5.1.Определение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.5.7.Форма импульса напряжения на выходе ФЭУ . . . . . . . . . 102

6.5.8.Выбор оптимальной -цепочки . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

§6.6. Временн´ое разрешение сцинтилляционного счетчика . . . . . . . . . 105

6.6.1.Определение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.6.4.ФЭУ. Основные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.6.5.Дискриминаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.6.6.Времяпролетные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

§7.3. Основные свойства черенковского излучения . . . . . . . . . . . . . 117

7.3.1.Черенковский угол. Дисперсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.3.2.Интенсивность излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

11

8.8.2. Камеры с линией задержки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.8.3. Измерение амплитуд на полосках на катодной плоскости . . 144 8.8.4. Пространственное разрешение. Кластерный эффект . . . . . 144

§8.9. Дрейфовые камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.9.1.Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.9.2.Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

§8.10. Основные варианты дрейфовых камер . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

§8.11. Измерение продольной координаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

§8.12. Времяпроекционные камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

§8.13. Микростриповые камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

§ 8.14. Дрейфовые камеры типа ГЭУ (GEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 § 8.15. Счетчик Гейгера—Мюллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

Глава 9. Искровые камеры. Искровые счетчики . . . . . . . . . . . . 154

§9.1. Принцип работы искровой камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

§9.2. Картина искрового пробоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

§9.3. Способы съема информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

§9.4. Стримерные искровые камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

§9.5. Искровые счетчики с локализованным разрядом . . . . . . . . . . . 157

Глава 10. Полупроводниковые детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 § 10.1. Детекторы на основе твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

§10.6. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

§10.7. Современное состояние полупроводниковых детекторов . . . . . . . 165

Глава 11. Принцип работы ядерных фотоэмульсий, камер Вильсона, пузырьковых камер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

§11.1. Ядерная фотоэмульсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

§11.2. Камеры Вильсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

§11.3. Пузырьковые камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Глава 12. Методы измерения энергии частиц . . . . . . . . . . . . . . . 175 § 12.1. Измерение по пробегу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

12.2.3.Спектрометр с 180 -фокусировкой . . . . . . . . . . . . . . . . 177

12.2.4.Парный магнитный спектрометр . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

12

§12.3. Счетчики полного поглощения (калориметры) . . . . . . . . . . . . 178

12.3.1.Идея метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

12.3.2. Счетчик типа «сэндвич» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

12.3.3.Счетчики с гомогенным радиатором . . . . . . . . . . . . . . . 180

12.3.4.Точность измерения координаты -кванта . . . . . . . . . . . 181

Часть III. Статистика в ядерных экспериментах . . . . . . . . . . . 183

Глава 13. Интервал времени между событиями. Закон Пуассона . . 185 § 13.1. Закон распределения интервалов времени между событиями . . . . 185 § 13.2. Закон Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

§13.3. Дисперсия для закона Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

§13.4. Закон Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

14.1.1.Два типа мертвого времени приборов . . . . . . . . . . . . . . 192

§14.2. Методы измерения мертвого времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

14.2.1. Два источника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

14.2.2.Известное изменение загрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

§14.3. Использование пересчетных схем для уменьшения просчетов . . . . 194

§14.4. Случайные совпадения в схемах совпадения . . . . . . . . . . . . . . 195

Глава 15. Метод максимального правдоподобия . . . . . . . . . . . . . 196

§15.1. Обработка эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

§15.2. Ошибки измерений. Первая магическая формула . . . . . . . . . . . 197

§ 15.3. Закон Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

§15.4. Метод наименьших квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

§15.5. Планирование эксперимента. Вторая магическая формула . . . . . 199

§ 17.1. Метод 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Именной указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218