Микростриповыедетекторы

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. Временнòе разрешение

– 10−8 с.

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 практически со 100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью 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.).

Сцинтилляционныедетекторы

Первый сцинтилляционный детектор представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. проводили опыты по рассеянию α-частиц атомами золота,

приведшие к открытию атомного ядра. Обычно световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод.

Сцинтилляционныедетекторы

ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 105–106, но может достигать и 109, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический

импульс. Временнóе разрешение ФЭУ составляет

10−8–10−9 с.

Черенковскийдетектор

Принцип работы этого детектора основан на регистрации излучения, открытого П.А. Черенковым в 1934 г. и возникающего при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью v большей

скорости света u в этой среде. Поскольку u = nс, где с

— скорость света в вакууме, а n — показатель преломления среды, то условие возникновения

черенковского излучения имеет вид v > nс .

Черенковское свечение является когерентным излучением диполей, образующихся в результате поляризации среды пролетающей заряженной частицей, и возникает при возвращении этих диполей (поляризованных атомов) в исходное неполяризованное состояние. Если частица двигается медленно, то диполи успевают поворачиваться в её направлении. Поляризация среды при этом симметрична относительно координаты частицы. И излучения отдельных диполей при возвращении в исходное состояние гасят друг друга. При движении частицы со «сверхсветовой» скоростью за счёт запаздывающей реакции диполей они преимущественно ориентируются в направлении движения частицы. Итоговая поляризация оказывается несимметричной относительно местоположения частицы и излучение диполей нескомпенсированным.

Черенковскийдетектор

Фотоны черенковского излучения испускаются под углом θ к направлению движения частицы, причем величина угла определяется соотношением

cosθ = β1n

где β = v/c. Это соотношение легко понять на основе принципа

Гюйгенса. Огибающая световых волн для частицы, двигающейся со скоростью v > u, представляет собой конус,

вершина которого совпадает с положением частицы в данный момент (точка Р′ на рисунке), а нормали т к образующим конуса

показывают направление распространения черенковского света. На рисунке показано, как частица, проходившая в момент времени t через точку Р, породила сферическую электромагнитную волну, которая за время τ

распространилась от точки Р на расстояние R = uτ = nсτ . За то

же время частица, двигающаяся со скоростью v > u прошла путь vτ > R и оказалась в точке Р′. Волна от точки Р′ ещё не успела распространиться в веществе. Конус АР′А − граница

области, занятой черенковской электромагнитной волной (её фронт) к моменту t + τ. Угол θ это угол между перпендикуляром, опущенным из точки Р на образующую конуса АР′, и линией движения частицы (прямой РР′). Очевидно, косинус этого угла равен отношению длин отрезков R и РР′, т.е. cosθ = u/v = 1/βn.

Черенковскийдетектор

Энергия частицы, конвертируемая в черенковское излучение, мала по сравнению с её ионизационными потерями. Число фотонов, излучаемых на 1 см пути, в зависимости от среды (радиатора) колеблется от нескольких единиц до нескольких сот. Это излучение можно наблюдать визуально и регистрировать с помощью фотоплёнки или ФЭУ.

Зависимость угла излучения θ от β позволяет, определяя этот угол, найти скорость и энергию частицы. С помощью черенковского детектора можно регистрировать частицы с энергиями вплоть до 100 ГэВ.

Черенковский счетчик позволяет эффективно выделять высокоэнергичные релятивистские частицы на уровне большого фона низкоэнергичных частиц.

Черенковский детектор состоит из радиатора (он может быть твёрдым, жидким или газообразным), оптической системы, обеспечивающей сбор и «доставку» черенковских фотонов к фотокатоду ФЭУ (светопровода) и самого ФЭУ (или нескольких ФЭУ). Разрешающее время черенковских счетчиков не превосходит 10−9 с.

α − регистрируемая частица, 1 − радиатор, 2 − светопровод, 3 − ФЭУ.

КамераВильсона

фотокамера

траектория

частицы

В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. На ионах конденсируются 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).

КамераВильсона

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.

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.

Ч. Вильсон

Charles Thomson Rees Wilson

(1869-1959)

Нобелевская премия по физике

1927 г. – Ч. Вильсон

За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара

П. Блэккет

Patrick Maynard Stuart Blackett

(1897-1974)

Нобелевская премия по физике

1948 г. – П. Блэккет

За создание метода камеры Вильсона и его открытия с его помощью в области ядерной физики и космических лучей.

Ядерныефотоэмульсии

Фотографирование следов заряженных частиц в фотоэмульсиях, несмотря на развитие других методов регистрации частиц, является одним из важных методов современной ядерной физики.

Фотографическая эмульсия состоит из большого числа мелких кристаллов бромистого серебра, распределенных в желатине. Размеры кристаллов от 0,1 до 1 микрона. Если через эмульсию пролетают ионизирующие частицы, то в некоторых кристаллах происходят определенные изменения, приводящие к тому, что после проявления (обработки специальным раствором) зерна эмульсии превращаются частицы металлического серебра. Совокупность большого числа темных зерен образует видимое черное изображение. Анализируя полученное изображение траектории заряженной частицы в фотоэмульсии можно идентифицировать различные частицы. Открытие и наблюдение распадов π -мезонов в

ядерных эмульсиях явилось убедительной демонстрацией преимуществ этого метода. С помощью ядерных фотоэмульсий были обнаружены тяжелые ядра в составе первичного космического излучения. Ядерные фотоэмульсии используются для непосредственного наблюдения редких процессов. Так, ядерные эмульсии использовались при регистрации τ -нейтрино.

Ядерныефотоэмульсии

С появлением коллимированных пучков частиц на ускорителях стало возможно исследовать пробег частиц в эмульсии, изучить зависимость плотности почернений на следах частиц от их массы, заряда и энергии. Плотность почернений на следах протонов оказалась меньше, чем на следах α -частиц, имеющих одинаковые скорости.

Было показано что плотность почернений на следах частиц зависит от удельных ионизационных потерь энергии, которые заряженная частица испытывает при прохождении через вещество. Это позволило идентифицировать частицы по измерениям их заряда и массы, определить энергии частиц, исследовать времена жизни и характеристики распада нестабильных частиц

Фотоэмульсии экспонировались космическими лучами на высоте гор и поднимались на воздушных шарах. Было обнаружено, что ядра элементов, входящих в состав эмульсии, расщепляются под действием космических лучей на множество осколков.

Ядерныефотоэмульсии

Одним из блестящих успехов метода фотоэмульсий было открытие новых нестабильных частиц. В 1947 г. Перкинс открыл отрицательно заряженный π -мезон, и

вскоре после этого был открыт его положительно заряженный аналог. На рисунке показана цепочка последовательных распадов

π− → μ− +νμ

↓

e− +νμ +νe .

Видно, как с уменьшением массы регистрируемой в эмульсии частицы наблюдается уменьшение плотности ионизации. Нейтрино, являясь нейтральной частицей, не оставляют следов в фотоэмульсии.

С. Пауэлл

Cecil Frank Powell

(1903-1969)

Нобелевская премия по физике

1950 г. – С. Пауэлл

За создание фотографического метода и открытий, связанных с мезонами, сделанным с помощью этого метода.

Схемысовпадений

Практически все современные детекторы содержат электронные устройства для усиления, обработки и счета импульсов. В простейшем случае это может быть просто счет импульсов в течение определенного интервала времени или определение энергии отдельных частиц. Однако в большинстве случаев, особенно при детектировании частиц высоких энергий, используется несколько счетчиков. В этих случаях счетчики обычно включаются в схемы совпадений или антисовпадений, которые позволяют идентифицировать частицы, определять их энергии. Покажем это на нескольких простых примерах.

совпадений

Рассмотрим установку, состоящую из 4 счетчиков импульсов С1, С2, С3, С4 и поглотителя П, расположенного между С3 и С4. Как с помощью этой установки можно определить тип и энергию частиц?

Случай 1. Высокоэнергетичный протон имеет достаточную энергию, чтобы его пробег превышал размеры установки. В этом случае будут зарегистрированы импульсы одновременно во всех четырех счетчиках. Если все четыре счетчика включены в схему совпадений, то на её выходе появится импульс, который зарегистрирует это событие.

Схемысовпадений

Если энергия протоны недостаточна, и он остановится в поглотителе П (случай 2), то будут наблюдаться только одновременные импульсы от С1, С2, С3. Изменяя толщину поглотителя П между С3 и С4, можно регистрировать протоны, энергия которых меньше определенной величины.

Случай 3 соответствует нейтральной частице, которая распалась в пространстве между С1 и С2 с образованием 2 заряженных частиц малой энергии. В этом случае будет наблюдаться совпадение сигналов по времени от С2 и С3. Счетчики С1 и С4 при этом не срабатывают. Этот метод часто используют, когда необходимо зарегистрировать нейтральную частицу на фоне большого количества заряженных частиц. Отсутствие сигнала от счетчика С1 и совпадения счетчиков С2 и С3 — свидетельство тому, что через установку прошла нейтральная частица. Используя различное количество счетчиков, включенных в схемы совпадений или антисовпадений можно эффективно отбирать интересующие события. С помощью системы счетчиков, включенных в схемы совпадений и антисовпадений, был открыт антипротон. Схемы совпадений активно используются для управления искровыми камерами. В этом случае импульс высокого напряжения для регистрации частиц подаётся только в том случае, если предварительно сработал сцинтилляционный детектор, показывающий, что в искровую камеру влетела заряженная частица, что значительно повышает эффективность отбора нужных событий.

В. Боте

Walther Bothe

(1891-1957)

Нобелевская премия по физике

1954 г. – В. Боте

За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

Пузырьковаякамера

В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль траектории заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание 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 заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

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.

Пузырьковаякамера

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.

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.

Для измерения импульсов заряженных частиц пузырьковую камеру обычно помещают в магнитное поле. Выбор рабочей жидкости в первую очередь зависит от требований эксперимента. Жидкий водород имеет то преимущество, что является идеальной мишенью для наблюдения элементарных столкновений. Однако плотность жидкого водорода сравнительно невелика, и для увеличения вероятности взаимодействия в объеме пузырьковой камеры приходится создавать камеры больших размеров. Для повышения эффективности регистрации частиц используют органические жидкости — пентан или пропан. Анализ взаимодействий в органических жидкостях затруднен тем обстоятельством, что в их состав входит несколько химических элементов. Для регистрации γ -квантов используют жидкости с более

высоким Z , например, жидкий ксенон.

Д. Глезер

Donald Arthur Glaser

р. 1926

Нобелевская премия по физике

1960 г. – Д. Глезер

За изобретение пузырьковой камеры.