Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
4. Закон радиоактивного распада. Статистический характер
процесса радиоактивного распада.
5. α, β, γ- распад. Правила смещения.
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.
81
Тип детектора
Пространственное
разрешение, мм
Временнoе
разрешение,
сек
Мертвое
время,
сек
Эмульсии
10
- 3
–
–
Камера Вильсона
0,3
0,1
0,01
Диффузионная
камера
0,5
1
–
Пузырьковая
камера
0,1
10-3
0,1
Искровая камера
0,1–0,3
10-6
10-8
Стримерная камера
0,2–0,3
2,10-6
0,1
Пропорциональная
0,05–0,3
10
- 9
-10-8
2,10-7
8. Изучение треков заряженных частиц
Цель: изучение методов регистрации быстрых заряженных ча-
стиц (фотопластинки, камера Вильсона, пузырьковая камера); получение информации о параметрах заряженных частиц с помощью
анализа треков частиц по готовым фотографиям.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Прямая регистрация следов заряженных частиц в фотоэмульсиях является одним из важнейших методов в современной ядерной физике. Детекторы служат как для регистрации частиц, так и
для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Типичные пространственные и временные характеристики
трековых и координатных детекторов
82
камера
Дрейфовая камера
0,1–0,2
2,10
- 9
10-7
Кремниевые
микрострипы
0,01–0,02
10
- 8
10-8
Трековыми детекторами называют группу детекторов, в которых при прохождении заряженной частицы возникает визуально
наблюдаемый след (трек) этой частицы. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого
процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы,
странные и очарованные частицы). В трековых детекторах след
частицы визуально наблюдаем. В то же время есть группа детекторов (многопроволочная пропорциональная камера, дрейфовая камера, полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые
другие), в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы
такого типа мы будем называть координатными.
Микростриповые детекторы, а также прецизионные многослойные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры часто
используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов,
непосредственно окружающих мишень (или место столкновения
пучков в коллайдерах). Центральные детекторы играют важную
роль в современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти 100 %-й вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения
и определяют направление их вылета. Более габаритные детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации этих родившихся и вторичных частиц и определения их
характеристик (координат, импульсов, энергий и др.).
Методы регистрации ионизирующих излучений
Ядерные фотоэмульсии. Впервые с возможностью регистра-
ции ядерных излучений фотографическим методом столкнулся
А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок ра-
83
диоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных
исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с
толстым эмульсионным слоем (эта работа была отмечена Нобелевской премией).
Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0,3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно большую толщину – до нескольких сотен
микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их
пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и
образование центров скрытого изображения. При последующей
проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического
серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид
цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек
и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип
частицы (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Взаимодействие высокоэнергетичного ядра серы
с ядром фотоэмульсии
84
Диэлектрические детекторы. К ядерным эмульсиям функ-
ционально примыкают диэлектрические детекторы (стёкла, слюды,
природные и синтетические кристаллы, органические полимеры),
которые избирательно чувствительны к многозарядным ионам и
осколкам деления ядер. В них, как и в фотоэмульсиях, возникает
скрытое изображение в форме остаточных дефектов вдоль трека
частицы, которые выявляются химическим травлением. Следы тяжёлых частиц наблюдаются под микроскопом как каналы или лунки диаметром в десятки и сотни мкм. Диэлектрические детекторы
имеют высокую эффективность регистрации и низкий уровень фона. Они не чувствительны к свету, α-частицам, γ-излучению, высокоэнергичным малозарядным частицам. Их используют и для регистрации нейтронов по осколкам деления ядер, которое эти нейтроны вызывают.
Камера Вильсона. Камера Вильсона – трековый детектор эле-
ментарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её
движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.). В камере Вильсона (см. рис. 8.2) треки заряженных
частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей.
На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3–10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0,1–2 атмосферы
(водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных
ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого
перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах,
а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до
нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий
объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом,
камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время
цикла обычно > 1 мин.
85
Рис. 8.2. Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков
Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при
помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и
импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
86
Рис. 8.3. К принципу работы камеры Вильсона
Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые
должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и «запускают»
камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. «Управляемость» камеры Вильсона объясняется тем, что
можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой
среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал
внешних счётчиков.
Диффузионная камера. Перенасыщение пара можно создать
не только расширением объёма газовой среды, но и диффузией пара из нагретой области в холодную. Этот принцип используется в
диффузионной камере. В отличие от камеры Вильсона диффузионные камеры обладают непрерывной чувствительностью, так как в
них диффузия пара из нагретой части в холодную осуществляется
постоянно. В диффузионных камерах обычно используются пары
спиртов, а для охлаждения – сухой лед. Диффузионные камеры
часто помещают в магнитное поле. Диффузионная камера была
изобретена в 1936 г. Александром Ландгсдорфом.
Пузырьковая камера. Пузырьковая камера – трековый детек-
тор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её дви-
87
а.
б.
в.
жения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия,
1960 г.).
Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип
действия камеры Вильсона (рис. 8.4). В последней используется
свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие
капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой
камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной
частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение
пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная
частица вызывает превращение жидкости в пар.
Рис. 8.4. Пузырьковая камера:
а – внешний вид, б – фотография события в камере,
в – расшифровка события
88
Перегретое состояние достигается быстрым (5–20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до
прежней величины, пузырьки «схлопываются» и камера вновь готова
к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10–100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы
чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами
попадания в камеру частиц от ускорителя.
Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с
камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости,
являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2–3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком «уместить» в своём объёме
треки высокоэнергичных частиц.
Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м3). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное
поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер 0.1 мм.
Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро «включить» по
сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный
отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя,
регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.
Искровая камера – трековый детектор заряженных частиц,
в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.
Искровая камера (рис. 8.5) представляет собой систему параллельных металлических пластин, пространство между которыми
заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами порядка
89
а
б
в
1 см. Внешние управляющие счётчики фиксируют факт попадания
заряженной частицы в искровую камеру и инициируют подачу на её
пластины короткого (10 – 100 нс) высоковольтного импульса чередующейся полярности так, что между двумя соседними пластинами появляется разность потенциалов 10 кВ. В местах прохождения заряженной частицы между пластинами за счёт ионизации ею атомов
среды возникают свободные носители зарядов (электроны, ионы), что
вызывает искровой пробой (разряд). Разрядные искры строго локализованы. Они возникают там, где появляются свободные заряды, и поэтому воспроизводят траекторию движения частицы через камеру.
Отдельные искровые разряды, направлены вдоль электрического поля
(перпендикулярно пластинам). Совокупность этих последовательных
разрядов формирует трек частицы. Этот трек может быть зафиксирован либо оптическими методами (например, сфотографирован), либо
электронными. Пространственное разрешение обычной искровой камеры 0.3 мм. Частота срабатывания 10–100 Гц. Искровые камеры
могут иметь размеры порядка нескольких метров.
Рис. 8.5. Искровая камера:
а) принцип работы искровой камеры. Управляющие счётчики
включены в схему совпадений, б) внешний вид двухсекционной
искровой камеры, в) распад пиона в искровой камере
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]