spez_fiz_pr_zachita

черенковские счетчики могут помочь при идентификации различных ядер по их массе.

12.5. Идентификация изотопов в радиоактивных отходах

Спектр -излучения смеси изотопов можно использовать для определения количественного содержания в нем радионуклидов. Для этого хорошо подходят детекторы типа германиевых полупроводниковых счетчиков с имплантированным литием с высоким разрешением или же кристаллы германия высокой чистоты. Атомный номер германия достаточно велик для того, чтобы -излучение, испущенное образцом, было с высокой степенью вероятности поглощено, и за счет фотоэффекта появились отчетливые

линии -излучения. Эти хорошо известные фотопики используются для идентификации радиоактивных изотопов.

На рис. 12.11 показана часть спектра -излучения воздушного фильтра через короткий промежуток времени после аварии на реакторе в Чернобыле [128]. Кроме линий -излучения, порожденных естественной радиоактивностью, четко различимы некоторые «Чернобыльские изотопы» типа 137Cs, 134Cs, 131I, 132Те и 103Ru. Их выделение становится возможным по характерным для них энергиям -квантов.

Рис. 12.11. Часть -спектра радиоактивного воздушного фильтра (с указанием некоторых «Чернобыльских изотопов») [128]

Идентификация излучателей чистого -излучения оказывается возможной с помощью кремниевых полупроводниковых счетчиков с имплантированным литием. Так как у таких счетчиков атомный номер сравнительно мал (Z=14), то они относительно нечувствительны к

-излучению. Изотопы, испускающие -излучение, можно идентифицировать, а их количество оценить, последовательно вычитая калибровочные спектры. Идентификация этих изотопов основана на характерных максимальных энергиях непрерывных спектров -излучения. Максимальные энергии лучше всего определять из линеаризованных электронных спектров (диаграмма Ферми–Кюри) [129].

331

12.6.Применение в эксперименте с тяжелыми ионами

Вначале ядерно-физических исследований с тяжелыми ионами наиболее широко применялись маленькие полупроводниковые детекторы. При высоких энергиях налетающих частиц резко возрастает число частиц – продуктов реакции, особенно когда исследуются глубоко неупругие столкновения.

На первой стадии в таких реакциях оба ядра оказываются возбуждены на высоколежащие уровни. Эти неустойчивые промежуточные состояния

затем распадаются с испусканием нейтронов, протонов, -частиц или-излучения либо путем деления. Количество тяжелых фрагментов составляет 2–4, более высокие значения наблюдаются при U U –столкновениях.

Рис. 12.12. Схема эксперимента по измерению Ar-Ni–столкновений при энергии в

лабораторной системе 280 МэВ: 1, 2 – детекторы -излучения; 1 – координатно-чув- ствительная ионизационная камера; 2 — детектор для измерения времени пролета; 3 — ионизационные камеры для измерения потерь энергии [130]; 4 – мишень; 5, 6 – мониторы

Для идентификации продуктов реакции и определения кинематических величин необходимо регистрировать частицы в режиме совпадения, а также определять с помощью счетчиков их потери энергии, пробеги и углы вылета. Для этого требуются детекторы с большой площадью (около 1 м2), а поскольку полупроводниковые детекторы с такой площадью в настоящее время не изготавливаются, были разработаны газовые счетчики с желаемыми параметрами [130].

На рис. 12.12 показана схема эксперимента, поставленного в Дармштадте на ускорителе тяжелых ионов UNILAC для изучения реакции

40 Ar 58Ni при энергии 40 Ar 280 МэВ в лабораторной системе и исследования других подобных реакций.

Помимо двух -счетчиков ( 1, 2), в схеме имеются два плеча детекторов для заряженных частиц. Эти детекторы в зависимости от условий измеряют координату пролета частицы, время пролета и потери энергии в детекторе. Оба плеча детекторов содержат при необходимости координатночувствительную ионизационную камеру, счетчик с параллельными

332

пластинами и ионизационные камеры для измерения потерь энергии. Счетчик с параллельными пластинами работает при низких давлениях (5–10 мм рт. ст.) и высоких электрических полях (5 кВ/см). Для сильно ионизующих тяжелых ионов временное разрешение достигает 170 пс.

Координатно-чувствительные детекторы состоят из пары ионизационных камер, которые имеют общую катодную плоскость (рис. 12.13, а). На расстоянии 9 см от катода находится заземленная сетка Фриша, экранирующая расположенные за ней анодные плоскости с ориентацией нитей перпендикулярно как сетке Фриша, нити которой

ориентированы в направлении оси x, так и расположенной, за ней сетке −. Заряженная частица падает примерно параллельно оси z снизу камеры, и

вдоль ее следа возникают электрон-ионные пары. Электроны дрейфуют в направлении электрического поля ( y -направление) и индуцируют на катоде

сигнал. Пока облако электронов находится в объеме между катодом и экранирующей сеткой, обе анодных плоскости экранированы.

Рис. 12.13. Координатно-чувствительный детектор (см. 1 рис. 12.12) для регистрации продуктов реакции столкновения тяжелых ионов [130]: 1 – LC-линия задержки; 2 –

анод; 3 – сетка −; 4 – сетка Фриша; 5 – катод; 6 – входное окно (все размеры в мм)

После пересечения сетки Фриша электроны индуцируют на сетке − короткий, а на аноде длинный во времени импульс. Временной ход импульса показан на рис. 12.13, б. Измерение координаты x осуществляется с помощью

сетки − – путем считывания времени задержки сигнала на отдельных нитях сетки. Координата y получается из разности времен между сигналами на аноде и на катоде, которая пропорциональна времени дрейфа в активном объеме камеры. Точность измерения координаты составляет 1 мм.

12.7. Детекторы для поиска распада протона

Единое описание электромагнитных и слабых взаимодействий было достигнуто с помощью модели Глэшоу – Салама на основе SU(2):U(1) -

симметрии. Открытие и точное измерение слабых нейтральных токов в реакциях с нейтрино и наблюдение нарушения четности в рассеянии

333

поляризованных электронов на дейтерии дали этой модели важную

экспериментальную основу, а открытие векторных бозонов W и Z 0 заложило экспериментальный краеугольный камень для теории.

Рис. 12.14. Образование кольца черенковского света в эксперименте по поиску протонных распадов

Дальнейшее объединение этого электрослабого взаимодействия с сильными взаимодействиями между кварками, которые описываются квантовой хромодинамикой, возможно в «Теориях Великого Объединения» (GUT), в основе которых лежат группы симметрии SU(5) или SO(10). B таких моделях кварки и лептоны принадлежат к одному и тому же семейству элементарных частиц.

В этих теориях, пытающихся объединить электрослабые и сильные взаимодействия, протон уже более не является стабильным. В некоторых моделях он может распадаться, нарушая сохранение барионного и лептонного чисел, по следующему каналу:

pe 0 ,

вдругих моделях среди продуктов распада имеются K-мезоны. Предсказываемое время жизни протона ~ 1030 лет настолько велико, что

для регистрации редких распадов протона требуются детекторы большого объема. Поиск такого распада требует детекторов с очень большой массой, поэтому здесь может идти речь об использовании в качестве материала детектора только самых дешевых материалов, таких, как вода и железо. Подобный детектор можно создать из черенковских счетчиков с большим объемом воды (несколько тысяч тонн). В таких детекторах содержится достаточно большое число протонов для того, чтобы можно было увидеть несколько протонных распадов при времени измерения в несколько лет, если исходить из верности теоретического предположения. Продукты распада протонов обладают достаточной скоростью, чтобы возникло излучение Вавилова – Черенкова.

Для водяных черенковских детекторов требуется сверхчистая вода с высокой степенью прозрачности для того, чтобы можно было зарегистрировать черенковское излучение с помощью большого

334

количества ФЭУ. Фотоумножители можно установить в объеме детектора или на его внутренних поверхностях. Направление вылета продуктов распада (электроны и мюоны с обоими знаками заряда) и их вершину можно определить, используя хорошие временные свойства ФЭУ.

Заряженные частицы с коротким пробегом от распадов нуклонов производят характерное кольцо черенковского излучения (рис. 12.14). По

Рис. 12.15. Детектор для поиска распада протона коллаборации Ирвайн - Мичиган - Брукхейвен (IMB), использующий 2048 ФЭУ с диаметром фотокатода 100 мм, погруженные в воду в резервуаре. Используется конус черенковского света для

регистрации частиц с 0,75 [131]

величине внешнего радиуса ra можно определить расстояние от стенки детектора до вершины распада.

Внутренний радиус ri приблизительно соответствует пробегу заряженной частицы в воде до момента уменьшения её скорости ниже порога излучения Вавилова

– Черенкова. По измеренному световыходу можно определить энергию частиц.

В детекторе коллаборации Ирвайн – Мичиган – Брукхейвен (IMB) используются 2408 ФЭУ с диаметром фотокатода 110 мм,

расположен в соляной шахте в Мортоне под озером Эри.

В другом подобном, но еще более крупном эксперименте на свинцовом руднике в Японии (1000 м под поверхностью земли) используются специально для этого разработанные ФЭУ со сферическим катодом диаметром 508 мм.

335

Альтернативой этим черенковским детекторам являются калориметрические детекторы, которые представляют собой сандвич из стальных пластин и позиционно-чувствительных счетчиков. Модульная структура такого детектора показана на рис. 12.16. Между стальными пластинами толщиной 1,5 мм располагается либо слой газоразрядных камер, либо слой пропорциональных счетчиков в гейгеровском режиме. Этот детектор установлен во французском туннеле Фреджюс и создан коллаборацией Сакле – Орсей – Аахен – Вупперталь, он имеет общую массу около 1000 т и объем 6:6:12 м3 (рис. 12.17) [12]. В отличие от черенковских детекторов, он чувствителен также к коротким следам заряженных частиц, так что можно получить лучшую дискриминацию фона от реакций, вызываемых нейтрино.

С помощью обоих описанных выше водных черенковских детекторов удалось 23 февраля 1987 г. в первый раз наблюдать нейтрино, рожденные при гравитационном коллапсе Сверхновой, удаленной на расстояние 50000 килопарсек (SN 1987A) в Большом Магеллановом облаке.

Рис. 12.17. Детектор для поиска распада протона в туннеле Фреджюс во время монтажа в камере

Нейтринная вспышка от SN 1987А наблюдалась также на подземном сцинтилляционном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ AH CCCP. На этом же телескопе ранее был проведен единственный в СССР

эксперимент по поиску распада протона.

Несмотря на то, что детекторы работают уже в течение нескольких лет, распадов протонов зарегистрировано не было. Исходя из этого, были установлены новые пределы для времени жизни протона, которое по этим оценкам составляет 8 > 1032 лет.

336

12.8. Детектор для реакций с адронами

В эксперименте, поставленном в CERN [21], на мишень из жидкого водорода, которая находится в воздушном промежутке большого дипольного магнита (рис. 12.18), падает пучок -мезонов с энергией от 200 до 300 ГэВ. В неупругой p -реакции при высокой энергии возникает 15–25

вторичных адронов, в основном -мезонов, а также K-мезоны, нуклоны и тяжелые мезоны. Пример такой реакции показан на рис. 7.22.

Рис. 12.18. Схема эксперимента NA 5 для поиска струй в адрон-адронных, столкновениях при высоких энергиях [21]: 1 – мишень; 2 – стримерная камера; 3 – вершинный дипольный магнит; 4 – пропорциональная камера; 5 – искровая камера; 6 – фотонный калориметр; 7 – адронный калориметр; 8 – рельсы

Вторичные частицы регистрируются в стримерной камере, которая непосредственно примыкает к мишени. Следы частиц искривлены, поскольку стримерная камера целиком расположена в магнитном поле. Точность измерения импульсов частиц по кривизне трека улучшается за счет определения координаты трека с помощью восьми искровых камер большой площади с магнитострикционным считыванием. Поскольку целью эксперимента является поиск струй ("jets") вторичных частиц при большом поперечном импульсе, адронный калориметр позади искровых камер служит для измерения энергии и для выбора событий (триггер) с большой передачей энергии в направлении, перпендикулярном пучку [132]. Область углов, перекрываемая калориметром, может меняться за счет перемещения калориметра по рельсам вдоль оси пучка относительно мишени.

337

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

1. ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1.1. Взаимодействие излучения с веществом

1.1. Получить выражения, связывающие кинетическую энергию и импульс частиц в релятивистском случае. Убедиться, что при E mc2 , выражения переходят в классические.

1.2.Экспериментатору предстоит исследовать спектр электронов в диапазоне кинетических энергий от 0,1 до 10 МэВ. На какой диапазон импульсов должна быть настроена магнитная система спектрометра.

1.3.Магнитная линза выделяет частицы с импульсом 1,55 МэВ/c, а затем черенковский детектор измеряет их скорость, которая оказалась равной

v 0,95 c. Чему равна кинетическая энергия частиц? Чему равна полная энергия и что это за частицы?

1.4.При прохождении заряженной частицы через вещество ее электрическое поле взаимодействует с полем атомных электронов и может передавать им энергию, возбуждая или ионизуя атомы среды.

Получить выражение для удельных ионизационных потерь энергии заряженной частицы, масса которой больше массы электронов.

1.5.Найти минимум удельных потерь энергии, а также скорость и кинетическую энергию частицы, соответствующие минимуму. Учесть, что

средний потенциал ионизации (для водорода и урана) равен I 15,6 эВ для

H2 и I 810 эВ для U.

1.6. Вычислить удельные потери энергии -частицы с энергией 5,15 МэВ в газообразном аргоне 1840 Ar .

1.7. Сравните удельные потери энергии в начальных участков треков - и -частиц с энергией 1 МэВ в кристалле NaI (1123Na 12753 I ).

1.8. Образование %-электрона обычно рассматривают, считая соударения налетающей частицы с атомными электронами упругими, т.е. пренебрегая энергией связи атомных электронов, а также энергией их кинетического движения. Пусть заряженная частица с импульсом P , упруго рассеивается на покоящемся электроне. Вычислить импульс рассеянной частицы, как функцию угла, под которым вылетают %-электроны. Найти максимальную энергию, теряемую частицей при столкновении.

1.9. Получить выражение для спектра %-электронов, рассматривая

образование %-электронов как результат упругого соударения налетающей частицы с атомными электронами и считая, что энергия, передаваемая частицей %-электрону, равна энергии, потерянной частицей в столкновении.

1.10. Вычислить число %-электронов, имеющих энергию >1 кэВ и образованных на 1 см пробега протоном с энергией 500 МэВ в газообразном

338

аргоне при нормальном давлении (плотность 1840 Ar равна 1,7837 кг/м3 при

нормальном давлении и температуре).

1.11. В пузырьковой камере пузырьки вырастают на следах

%-электронов, если их энергия больше некоторой критической, равной 165 эВ в жидком водороде. Вычислить число пузырьков на 1 см пути мюона с энергией 314 МэВ в жидководородной пузырьковой камере. Масса мюона

равна 1,8835 10-28 кг или 0,113428 а. е. м.; m) c2 105,658389 МэВ; плотность жидкого водорода & 0,0708 т/м3 при температуре Т= -252,82 С.

1.12. При взаимодействии заряженной частицы с зарядом ze и массой m , движущейся со скоростью на расстоянии b от покоящейся частицы с

зарядом zΦe, налетающая частица отклоняется на угол 4 . Определить этот угол.

1.13.Определить, как различаются углы, на которые рассеется заряженная частица с зарядом ze и массой m , движущаяся со скоростью v , при столкновении с электроном или ядром с зарядом Ze . Параметр соударения (прицельный параметр) равен b .

1.14.Найти дифференциальное сечение рассеяния на угол 4 заряженных частиц с зарядом ze и массой m , движущихся со скоростью v , на покоящихся атомных ядрах с зарядом Ze . Вычислить дифференциальное

сечение рассеяния -частиц с энергией 5,15 МэВ в телесный угол d5 на угол

4 602 в Cu .

1.15. Соотношение пробег-энергия для протонов в воздухе в диапазоне энергий протонов 2–200 МэВ имеет вид Rp 1.8 E1p.8 . Получить соотношение

пробег - энергия для дейтронов в воздухе. Указать диапазон энергий, для которого это соотношение справедливо.

1.16. Дейтроны с энергией 15 МэВ попадают в ионизационный детектор через окошко из Al фольги толщиной 0,02 см. Определить энергию частиц в детекторе. Учесть, что соотношение пробег-энергия для протонов в воздухе в

диапазоне энергий протонов 2–200 МэВ имеет вид Rp 1.8 E1p,8 .

1.17. Считая, что на всем пробеге выполняется условие R a Eb

получить выражение для распределения ионизации по длине пробега (для кривой Брэгга)

d(E0 Ex ) Α dn . dx dx

1.2. Ионизационные и сцинтилляционные детекторы. Трековые приборы

2.1. Вычислить форму электронной компоненты импульса тока в плоской ионизационной камере для частицы, вылетевшей из расположенного на отрицательном электроде источника перпендикулярно его плоскости. Пробег частицы распределен по пробегу в соответствии с кривой Брэгга

339

2.2. Получить выражение для импульса напряжения, возникающего на выходе детектора, который включен последовательно с сопротивлением нагрузки, если в детекторе формируется импульс тока i(t) .

2.3. Вычислить форму ионной компоненты импульса тока в цилиндрической камере для заряженной частицы, пролетевшей параллельно оси камеры на расстоянии r0 от оси и образовавшей заряд q0 . Радиус

анода ri , катода – ra . К электродам приложено напряжение U .

2.4. Вычислить время собирания заряда в цилиндрической камере, заполненной жидким ксеноном – Xe. Заряды образуются при поглощении-квантов равномерно по объему камеры. Образованный в центре камеры заряд можно считать точечным. Радиус анода ri 0,05 см, радиус катода –

ra 1,1 см. К электродам приложено напряжение U 6,2 кВ. Принять, что

для жидкого Xe подвижность положительных ионов u 10-2 см2/c B, а скорость дрейфа электронов почти не зависит от напряженности электрического поля и равна v 2 105 см/с

2.5.Плоская камера облучается таким образом, что заряды образуются равномерно по объему камеры с постоянной скоростью. Пренебрегая рекомбинацией, диффузией и образованием объемных зарядов, получить выражения для плотности тока положительных и отрицательных зарядов.

2.6.Получить выражение для формы импульса на выходе

пропорционального счетчика при RC много больше времени собирания положительных ионов.

2.7. Пропорциональный счетчик с электродами радиусами ri 0,0125 см и ra 1,1 см, заполненный Ar до 1,33 104 Па, облучается релятивистскими

протонами, проходящими по диаметру. Коэффициент газового усиления равен ) 55. К электродам приложено напряжение U 800 В. Вычислить

полную амплитуду импульса заряда, полное время собирания ионов, а также время достижения амплитуды 0,5Qmax и 0,25Qmax .

2.8.Какая масса воды достаточна для насыщения парами 10-литрового объема камеры Вильсона при температуре 23.°С (используйте данные табл. П.1.1).

2.9.Определить температуру t 2 в камере Вильсона непосредственно

после ее быстрого расширения. Камера наполнена смесью воздух – водяной

плотности пара &1 непосредственно после расширения (но до конденсации) к

340