Вопрос

Радиоактивный источник испускает γ -квант с энергией 1 МэВ.

Какой должна быть толщина стенки свинцового контейнера, чтобы ослабить интенсивность излучения

•в 103 раз,

•в 105 раз?

Детекторы

частици

излучений

Нобелевские премии по физике за создание методов и приборов регистрации частиц

1907 г. — А. Майкельсон За прецизионные оптические приборы и за

спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью. 1927 г. — Ч. Вильсон За открытие метода, делающего видимыми

траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара.

1948 г. — П. Блэккетт За создание метода камеры Вильсона и

открытия, сделанные с его помощью в области ядерной физики и космических лучей.

1950 г. — С. Пауэлл За создание фотографического метода и

открытия, связанные с мезонами, сделанные с помощью этого метода.

1954 г. —В. Боте За метод совпадений и сделанные с его

помощью открытия. 1960 г. — Д. Глезер

За изобретение пузырьковой камеры. 1992 г. — Г. Чарпак

За открытие и создание детекторов частиц, в частности, многопроволочной пропорциональной камеры.

А. Майкельсон

Albert A. Michelson

(1852-1931)

Нобелевская премия по физике

1907 г. – А. Майкельсон

За прецизионные оптические приборы и за спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью.

Детекторы

Счетчик Гейгера

Управляемая искровая камера

Камера Вильсона

Фотоумножитель и сцинтиллятор

Детекторычастиц

Информативность любого эксперимента определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц это, по существу, история создания всё новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. Создание новых методов детектирования частиц неоднократно отмечалось Нобелевскими премиями.

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.

Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на гигантском фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Детекторычастиц

Дадим лишь краткий обзор используемых детекторов, акцентируя внимание на принципах их действия и характеристиках.

Один из принципов регистрации частицы состоит в следующем. Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает в результате электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса. Детекторы, использующие этот принцип, называют

ионизационными.

При возвращении возбужденных атомов в основное состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип используется в сцинтилляционных детекторах.

При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы можно сделать видимой. Этот способ реализуется в так называемых трековых детекторах.

Регистрациянейтральныхчастиц

Нейтральные частицы, например нейтрон или Λ−гиперон, непосредственно не вызывают ионизацию и

возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших либо в реакциях этих нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате

распада этих частиц (Λ → p +Π−).

Гамма-кванты также регистрируются по вторичным заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.

Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой (≈ 10−20 барн) в большинстве случаев вообще не

регистрируется детектором. Тем не менее, факт его появления может быть установлен. Дело в том, что ускользнувшее от непосредственного наблюдения нейтрино уносит с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и используя законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том, что нейтрино действительно образовалось, но и установить его энергию и направление вылета из точки реакции.

Быстрораспадающиеся частицы детектор «не успевает» зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада.

Ионизационныедетекторы

Газонаполненные детекторы (счетчики) благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, относительной простоте и дешевизне являются широко распространенными приборами регистрации излучений. Такой детектор представляет собой заполненную газом среду, в объеме которой расположены два электрода.

Детектор включается в электрическую цепь, схема которой показана на рисунке. Здесь Ci — общая емкость счетчика и входа усилителя; Ri — сопротивление нагрузки. На счетчик подают высокое напряжение V, создающее в газовом объеме счетчика электрическое поле E.

Рабочее напряжение, подаваемое на электроды счетчика, зависит от давления газа, которое для различных режимов работы детектора может меняться в широких пределах.

Регистрация частиц происходит следующим образом. Частица, попадая внутрь счетчика, вызывает ионизацию газа. Электроны, тяжелые положительные и отрицательные ионы, образованные ионизирующей частицей, двигаясь в электрическом поле, испытывают многократные столкновения, упругие и неупругие, с молекулами газа. Средняя скорость направленного движения электронов и ионов пропорциональна напряженности электрического поля и обратно пропорциональна давлению газа.

Ионизационныедетекторы

Возникающий ток обусловлен в основном электронами, так как их подвижность на три порядка выше, чем подвижность тяжелых ионов. Импульс напряжения на сопротивление Ri усиливается и подается на регистрирующую аппаратуру.

На рисунке показана зависимость амплитуды импульса напряжения на выходе газонаполненного детектора от напряжения на его электродах (предполагается, что постоянная времени τ = R1C1 много больше времени собирания заряда в

детекторе). Кривые 1 и 2 относятся к случаям различной начальной ионизации, большей для кривой 2. Эти кривые называют вольт-амперной характеристикой счетчика. Каждую кривую можно разделить на характерные участки.

На участке I происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении поля скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации.

Ионизационныедетекторы

На участке II практически все заряды, образованные в детекторе, собираются на электродах. Этот участок кривой называют областью насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения электроны, созданные в результате первичной ионизации, ускоряются полем настолько, что становятся способными при столкновении с нейтральными атомами газа ионизировать их, т.е. создавать некоторое число вторичных ионов. Происходит газовое усиление. При этом амплитуда импульса сначала растет пропорционально первичной ионизации – это пропорциональная область (ПО). В этой области III работают так называемые пропорциональные счетчики.

Область работы пропорциональных счетчиков затем сменяется областью ограниченной пропорциональности IV (ООП).

Наконец, на участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Это так называемая область Гейгера. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т. е. начинается после прохождения ионизирующей частицы.