14. Источники и методы регистрации частиц

В ядерной физике исследуется субатомная структура материи.

Характерные размеры этой структуры малы по сравнению с размерами атомов (< 10^18 м).

В ядерной физике непосредственно измеряются промежутки времени 10^9 с и только в некоторых случаях удается измерить время, близкое к 10^11 с. Однако с помощью соотношения неопределенности энергия-время косвенно измеряются промежутки времени, вплоть до 10^24 с.

Физические явления, происходящие на сверхмалых расстояниях можно изучать пока в основном только по столкновениям и распадам атомных ядер и элементарных частиц. Все источники ядерных излучений подразделяются на радиоактивные препараты, ускорители, ядерные реакторы и космические лучи. В настоящее время используются ускорители от 5  10 ГэВ до 100  150 ГэВ: электростатический генератор ВандеГраафа, линейные ускорители, циклотроны, фазотроны, бетатроны, синхрофазотроны, ускорители на встречных пучках, накопительные кольца и др. Существуют различные методы регистрации элементарных частиц, возникающих при проведении ядерных реакций.

Рис.17

Например, электронные (счетчики). К ним относятся импульсные ионизационнные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные, черенковские и полупроводниковые счетчики. К трековым детекторам относятся: камеры Вильсона, пузырьковые камеры, толстослойные фотоэмульсии, широкозазорные искровые и стримерные, пропорциональные и дрейфовые камеры. Например, полупроводниковые счетчики (рис. 17) используют переходное излучение в рентгеновской области и имеют большое будущее в физике ТэВобласти для идентификации частиц. Принцип работы полупроводникового счетчика тот же, что и ионизационной камеры, только вместо газа используется полупроводник. В этом его преимущество, т. к. в твердом теле на одном и том же отрезке пути заряженная частица отдает в сотни раз больше энергии, чем в газе.

Проходя через полупроводник частица вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, порождая пару электрондырка.

Энергия W, необходимая для рождения такой пары, составляет 2,9 эВ в германии и 3,5 эВ в кремнии.

Если энергия частицы равна W_k, то на своем пути в полупроводнике она создает W_k/W электроннодырочных пар.

Для уменьшения помех полупроводниковые детекторы охлаждают до температур жидкого азота.

В счетчике любого вида регистрация осуществляется немедленно, т. е. без последующей обработки.

Следовые регистраторы (камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных эмульсий и др.) позволяют получить полную информацию о траекториях заряженных частиц.

Оба эти преимущества объединены в искровой камере.

Рис. 18

Искровая камера состоит из набора плоскопараллельных электродов площадью до 1 м², расположенных на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга и соединенных через один.

Электроды помещают в замкнутый объем, заполненный газовой смесью гелия и неона. Одна половина электродов заземляется, а к другой  прикладывается высоковольтный импульс (рис. 18).

Главное достоинство искровой камеры состоит в том, что ее рабочий объем состоит из блоков, число которых не ограничено.