Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
В настоящее время более широкое распространение получила
стримерная камера (изобретена в 1963 г. Г. Е. Чиковани и Б.
А. Долгошеиным), которую можно считать разновидностью искровой камеры. Она также является управляемым импульсным газоразрядным детектором, в котором разряд обрывается на более ранней стадии, не успевая перейти в искру. Для этого на две параллельные плоские металлические пластины, отстоящие друг от друга на десятки сантиметров (обычные размеры стримерной камеры
1×0,5×0,5 м3), подаётся очень короткий (< 20 нс) высоковольтный
импульс, создающий напряжённость электрического поля до
50 кВ/см. Использование столь короткого импульса обеспечивает
прекращение разряда на доискровой (стримерной) стадии. Стримеры – это узкие направленные вдоль поля светящиеся каналы ионизованного газа длиной до нескольких миллиметров, возникающие
в предпробойной стадии искрового разряда. Стримеры вырастают
в сильном электрическом поле в местах ионизации, созданной заряженной частицей. Совокупность стримеров вдоль пути пролёта
частицы формирует её трек. Треки обычно фотографируют. По качеству изображения эти треки несколько уступают тем, которые
получают в пузырьковых камерах. Типичное пространственное
разрешение стримерной камеры 0,2-0,3 мм. Стримерные камеры
часто используют совместно с магнитным полем. В них, в отличие
от искровых камер, хорошо воспроизводятся треки в любых
направлениях.
Многопроволочная пропорциональная камера. Многопроволочная пропорциональная камера (МПК, рис. 8.6) представляет
собой систему многих тонких ( 10 мкм) параллельных проволочек, расположенных в одной плоскости и являющихся анодами,
которые находятся в газовом объёме между двумя плоскими параллельными друг другу и аноду катодами (сплошными или проволочными). В типичном случае анодные проволочки удалены
друг от друга на 2 мм и от катодов на расстоянии 8 мм. Разность
потенциалов между анодом и катодом несколько кВ. Такие параметры МПК обеспечивают газовое усиление 104–105 и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в
объёме газа. Таким образом, МПК это, по существу, система размноженных пропорциональных счётчиков.
91
Рис. 8.6. Устройство МПК
При прохождении заряженной частицы через МПК образовавшиеся вдоль следа частицы свободные электроны дают начало
лавинам, приходящим на анодные проволочки ближайшие к этим
первичным электронам. Электроника регистрирует сигнал с каждой проволочки. Таким образом, приходящие сигналы указывают
положение (координаты) частицы в МПК. Для того чтобы получить трёхмерные координаты частицы в большом объёме, используются системы из десятков МПК площадью до 10 м2, располагающихся параллельно одна за другой, с общим числом проволочек
несколько десятков тысяч, причём проволочки двух соседних МПК
натянуты взаимно перпендикулярно. Типичное пространственное
разрешение современной МПК 0,05–0,3 мм. Временнoе разрешение несколько наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры 10 %. МПК применяют главным образом в исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких энергий. МПК были разработаны Г. Чарпаком в ЦЕРНе в 1968 г., что
было отмечено Нобелевской премией 1992 г.
92
Дрейфовая камера является координатным детектором (рнис.
8.7). Это проволочный газонаполненный ионизационный детектор
(как и пропорциональная камера), в котором координата частицы
определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации (пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками обычно несколько сантиметров.
Рис. 8.7. Дрейфовая камера
В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере
создаётся однородное электрическое поле. Оно включается по
стартовым сигналам внешних детекторов (чаще всего сцинтилляционных счётчиков), фиксирующих пролёт частицы через камеру.
Далее появившиеся в объёме камеры свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке 1 кВ/см.
В непосредственной близости от анодных проволочек происходит
93
образование лавин (газовое усиление достигает 106) и по времени
задержки прихода лавин на анодные проволочки относительно
стартового сигнала определяются координаты частицы. Пространственное разрешение дрейфовой камеры порядка 0,1–0,2 мм, временное – наносекунды.
Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и
сферическими, Плоские дрейфовые камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так
в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2×4×5 м3.
Микростриповые детекторы. Для очень точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии
20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем. На электроды
подается напряжение несколько вольт. Электронно-дырочные пары, образованные пролетающей заряженной частицей в кристалле,
двигаются к ближайшим электродам и регистрируются в виде импульсов тока. Пространственное разрешение микростриповых детекторов уступает только ядерным эмульсиям и достигает 10 мкм.
Временное разрешение – 10-8 с. (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Устройство кремниевого микрострипового детектора
Упругие столкновения частиц. Анализ треков частиц, полу-
ченных с помощью методик, описанных выше, позволяет отожествить частицу или понять характер ядерного взаимодействия.
Анализ проводится с использованием законов сохранения, в частности, законов сохранения энергии и импульса.
94
1
v
1
v
’
2
v
’
1
v
1
v
0
2
v
2
v
''
211
vmvMvM
M
1
v
M
1
v
’
m
2
v
’
Рассмотрим нецентральное (косое) упругое столкновение частицы массой М с неподвижной частицей массой m (рис. 8.9). Обо-
значим скорость налетающей частицы до столкновения
и после
столкновения
после взаимодействия пусть будут
’. Соответственно скорости второй частицы до и
и
’.
Рис. 8.9. Нецентральное (косое) упругое столкновение частицы
с неподвижной частицей массой
На рис. 7.10 показана диаграмма столкновения. Угол называется углом рассеивания, угол – углом отдачи.
Рис. 8.10 Диаграмма столкновения
Закон сохранения импульса запишем в виде
. (8.1)
95
2
'
2
'
2
2
1
2
1
2
1
mvMvMv
cos'cos'
211
mvmvMv
sin'sin'0
21
mvMv
;
sin
sin
'
1
1
v
v
.
sin
sin
'
1
2
m
Mv
v
222
sinsinsin
m
M
22
2
sin sin sin 2
;
sin sin
M
m
sinsinsinsin
22
Закон сохранения энергии (частица нерелятивистская):
. (8.2)
Перепишем векторное уравнение (8.1) в проекциях на координатные оси (х – горизонтальная ось, у – вертикальная ось, на рис.
8.9 и 8.10 оси не показаны):
;
.
Отсюда находим
Подставим полученные выражения в (7.2). Получим
;
(7.3)
Из полученного соотношения следует, что измерив углы и
, можно рассчитать отношение масс сталкивающихся частиц,
а если одна из масс известна, то можно найти другую. Понятно,
что соотношение (8.3) можно использовать только в том случае,
когда сталкивающиеся частицы не вступают в ядерную реакцию.
Оборудование и материалы: рисунки треков частиц.
1. На рис. 8.11 показана фотография «вилки»: -частица
в камере Вильсона, двигаясь снизу вверх, столкнулась с ядром некоторого газа и отклонилась в направлении от вершины «вилки»
налево вниз. Определите, пользуясь соотношением (7.3), в какой
среде двигалась частица? Для определения углов и переведите «вилку» на кальку и продолжите следы частиц до и после столк-
новения.
(
Практическая часть. Задания
96
).
Рис. 8.11. «Вилка»
1. На рис. 8.12 показана «вилка», полученная методом толсто-
слойной фотоэмульсии. Частица двигалась сначала направо, затем
столкнулась с некоторым ядром и отклонилась направо вверх от
вершины «вилки». Что это за ядро?
Рис. 8.12. «Вилка», полученная методом толстослойной фотоэмульсии
2. На рис. 7.13. показано столкновения ядра трития с некото-
рым ядром. Ядро трития, двигаясь до столкновения слева направо,
столкнулось с некоторым ядром и отклонилось направо вверх от
вершины «вилки». Что это за ядро?
Рис. 8.13. Столкновения ядра трития с другим ядром
97
3. На рис. 7.14. показано столкновение в фотоэмульсии двух
протонов. Первый протон движется снизу вверх. Докажите, что
другая частица тоже является протоном.
Рис. 8.14. Столкновение в фотоэмульсии двух протонов
4. На рис. 7.15. показаны треки частиц в камере Вильсона при
обстреле -частицами ядер азота. Треки каких частиц представляют собой прямые линии? Какая ядерная реакция соответствует
образованию «вилки» на конце трека -частицы )записать уравнение реакции)? Каким частицам соответствуют тонкая (длинная)
и жирная (короткая) ветви «вилки» (отметить на кальке)?
Рис. 8.15. Треки частиц в камере Вильсона при обстреле -частицами
ядер азота
98
Контрольные вопросы
1. Элементарные частицы.
2. Классификация элементарных частиц. Зоопарк частиц.
3. Методы регистрации радиоактивных частиц.
4. Методы определения характеристик элементарных частиц.
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. М.: Физматлит,
2010.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. СПб.:
Лань, 2009.
4. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: М., 2005.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2006.
6. Иродов И. Е. Механика: Основные законы. М.: Бином,
2007.
7. Иродов И. Е. Физика макросистем: Основные законы. М.:
Бином, 2010.
8. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М: Оникс Мир и об-
разование, 2006.
9. Матвеев А. Н., Атомная физика. М: Оникс Мир и образова-
ние, 2007.
10. http://fizkaf.narod.ru – кафедра и лаборатория физики Мос-
ковского института открытого образования.
11. http://www.phys.spb.ru – сайт физического факультета
СПбГУ.
12. http://experiment.edu.ru – естественнонаучные эксперимен-
ты – Физика: Коллекция Российского общеобразовательного пор-
тала.
13. http://www.edu.delfa.net – кабинет физики Санкт-
Петербургской академии постдипломного педагогического образования.
14. http://demo.home.nov.ru – Мир физики: физический экспе-
римент.
15. http://genphys.phys.msu.ru – сайт кафедры общей физики
физфака МГУ.
16. http://www.online-electric.ru/ – система автоматизации ре-
шения электротехнических задач, возникающих при проектировании, монтаже, оптимизации и эксплуатации систем электроснабжения.
99
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Правила техники безопасности
при выполнении лабораторных работ по физике
1. Проверить отсутствие внешних видимых повреждений
электроустановки и изоляции проводов, наличие и исправность
контрольно-измерительного и монтажного инструмента, сигнальных приборов, переключателей и т. п.
2. Убедиться в целостности крышек электророзеток и выклю-
чателей, исправности электровилки и изоляции электрокабеля.
3. Убедиться в наличии и целостности заземляющего провод-
ника корпуса электроустановки и электровилки.
4. Точно выполнять все указания преподавателя и лаборанта
при проведении лабораторной работы, без разрешения не выполнять самостоятельно никаких работ.
5. При работе со спиртовкой беречь одежду и волосы от воспламенения, не зажигать одну спиртовку от другой, не извлекать
из горящей спиртовки горелку с фитилем, не задувать пламя спиртовки ртом, а гасить его, накрывая специальным колпачком.
6. При нагревании жидкости в пробирке или колбе использовать специальные держатели (штативы), отверстие пробирки или
горлышко колбы не направлять на себя и на своих товарищей.
7. Во избежание ожогов, жидкость и другие физические тела
нагревать не выше 60–70 оС, не брать их незащищенными руками.
8. Соблюдать осторожность при обращении с приборами из
стекла и лабораторной посудой, не бросать, не ронять и не ударять их.
9. Следить за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях, не прикасаться и не наклоняться близко к вращающимся и движущимся частям машин и механизмов.
10. При сборке электрической схемы использовать провода с
наконечниками, без видимых повреждений изоляций, избегать пересечений проводов, источник тока подключать в последнюю очередь.
11. Собранную электрическую схему включать под напряжение
только после проверки ее преподавателем или лаборантом. Включение и выключение электроустановки производить только сухими руками и с использованием индивидуальных средств защиты.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]