Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 141
Текст из файла (страница 141)
Сильновзаимодсйствующие частицы в заметных количествах возникают при бомбардировке мишени пучком заряженных частиц из ускорителя очень высокой энергии. Из-за релятивистских эффектов подавляющая 560 Источники и мегаады регистрации ядерных частиц ( Гл. ХП часть всех возникающих частиц летит вперед.
Пучок заряженных частиц можно отклонить сильным магнитным полем и таким образом выделить пучок, состоящий из разных нейтральных частиц различной энергии. При энергиях первичного пучка до 700 — 800 МэВ в основном образуются нейтроны. При энергиях выше нескольких гигаэлектронвольт появляются нейтральные каоны и нейтральные гипероны и т.д. Нейтральные пионы образовать пучка не могут из-за слишком короткого времени жизни (0,75 10 ~а с).
Нейтрино и антинейтрино подвержены только слабым взаимодействиям, а потому при столкновениях любых частиц с любыми мишенями рождаются в ничтожных количествах. Эти частицы рождаются при распадах. При 3 -распаде рождается электронное антинейтрино р„при,Зе-распаде электронное нейтрино не. Мощным источником электронных антинейтрино является ядерный реактор, электронного нейтрино Солнце. Мюонные нейтрино р и антинейтрино ри возникают в современных протонных ускорителях: при столкновении первичного пучка с мишенью сначала возникают заряженные пионы, а затем идут следующие превращения: к — >да+на, к -ад +да.
(85.6) Из-за закона сохранения импульса при релятивистских скоростях все продукты распада в виде пучков летят в основном вперед. Если на пути пучков поставить достаточно толстую бетонную или железную стену, то все частицы будут поглощены, за исключением ин и р, которые беспрепятственно пройдут через нее (см. также ~ 74). 8 86. Детекторы частиц 1. Детекторами называются приборы, служащие для регистрации частиц. Они разделяются на счетчики или электронные детектарьц вырабатывающие электрический импульс, когда в объем детектора попадает ионизующая заряженная частица, и трековые детекторые позволяющие нг только зарегистрировать факт и момент прохождения заряженной частицы, но и оставить след (или трек) частицы, воспроизводящий ее траекторию. Это дает более полную информацию о движении частицы, процессах столкновения ее с другими частицами и пр. Созданы приборы с использованием влек гронных детекторов, позволяющие определять траектории большого числа заряженных частиц.
Незаряженные частицы сами ионизацию не производят. Но в этом случае ионизация, а с ней и соответствующие треки создаются втпори тыми эарлжекными частицами, возникающими при прохождении нейтральных частиц через вещество. Так действуют, например, 7-кванты, вырывающие электроны из атомов и молекул или сгенок счетчика, а также нейтроны, вызывающие ядерные превращения с образованием заряженных частиц. з 86) Детекторы частиц Счетчики регистрируют прохождение частицы через определенное место пространства с погрешностью до 1 — 0,1 см, а время прохождения с погрешностью до 10 — 10" с. В некоторых счетчиках определяются и другие характеристики частицы: энергия, заряд, масса, скорость и пр. К счетчикам относятся мпульсаые ионизациотгые камеры, пропорцион льные счетчики, счегпчики Гейгера — Мю лера, сцинтилляционные, черенковские и полупроводниковые счетчики.
В трековых детекторах след, оставленный заряженгюй частицей, тем или иным способом фиксируется. Еще совсем недавно (лет 10 — 20 тому назад) единственным способом регистрации треков было их фотографирование, обычно в двух проекциях. Обработка таких фотографий -- весьма трудоемкий процесс. Сейчас все большее распространение получает так называемый безфнльмовый метод, не использующий фотографию. В этом методе параметры трека непосредственно передаются на ЭВМ для последующей полной обработки. Это на несколько порядков сократило время обработки и увеличило объем материала, который можно обработать.
К трсковым детекторам относятся камеры Вильстга, пузырьковые к меры, толстослойные фотоэмульсии, широкозазорггые искровые и стримерныеч пропорциональные и дрейфовые камеры. Искровая и пропорциональная камеры действуют как совокупности большого числа мелких счетчиков. Эти камеры напоминакгг счетчики в том отношении, что информация в них выдается мгновенно, без последующей обработки. Но они напоминают и трековый детектор, так как по действию многих счетчиков можно установить и трек частицы. 2. Основные характеристики детекторов. 1) Эффективность отношение числа частиц, зарегистрированных детектором, к общему числу прошедших через него частиц (в долях от единицы илн в процентах). 2) ГГростпранствегтое разрешение погрешность, с которой детектор может фиксировать положение частицы в пространстве.
3) Временное разрешение (разрешающее время) — минимальный промежуток времени между прохождениями двух частиц через детектор, когда сигналы от них еще не накладываются друг на друга. Нри меньших временах получится наложение сигналов, и две частицы будут регистрироваться детектором как одна частица. 4) Время восстановления (мертвое время) — время, за которое детектор, зарегнсгриронавший одну частицу, успевает вернуться в исходное состояние, чтобы быть готовым для регистрации следующей частицы. Частицы, прошедшие через детектор за это время, не регистрируются.
Время восстановления является мерой инерционности детектора. Оно ограничивает максимальную интенсивность пучка частиц, при которой частицы еще могут регистрироваться детектором. В табл. 14 приведены ориентировочные характеристики различных детекторов. 3. Наиболее обширную группу электронных детекторов составляют ионизационные детекторы, основанные на ионизации молекул 562 Иегпочники и мегподы регистрации ядерных частиц (Гл. ХП Таблица 14 Характеристики различных детекторов Детектор 1О " 10 >10 е 10 " 10 " 10 4 1О ' 1Π— 4 10-' 10 " 10 4 10 1О г 10 10 10 10 10 10 ГО 10 ' 10 г 10 3 10 г 10 1 и атомов, производимой первичными или вторичными заряженными частицами.
Одним из старейших детекторов этой группы являегся ионизационнал камера, применявшаяся еще в первых опьгшх Резерфорда. Ионнзационная камера представляет собой электрический конденсатор (плоский, цилиндрический или сферический)., заполненный газом, между электродами которого приложена разность потенциалов. На рис. 154 приведена схема ионизационной камеры с цилиндрическим конденсатором. Ионизующая частица, попадая в пространство между электродами, образует на своем пути электроны и ионы, которые перемещаются в электрическом ноле и собираются на электродах. В цепи камеры появляется электрический ток, регистрируемый гальванометром С.
Напряжение в камере подбирается таким (100 — 1000 В), чтобы все образовавшиеся ионы доходили до электродов, не успев рекомбинировать, но при эгом не разгонялись бы настолько сильно, чтобы производить вторичную ионизацию. Поэтому в камере измеряется Рис. 154 полная ионизация, производимая частицей, если только ее пробег целиком умещается в камере. Полная же ионизация согласно з 80 определяет и энергию частицы. Ионизационные камеры обычных типов пригодны лишь для регистрации короткопробежных частиц, т.е. тяжелых нерелятивистских частиц, так как пробеги электронов и релятивистских частиц в камере не умещаются. Ионнзационная камера Пропорциональный счетчик ~ Счетчик Гейгера †Мюлле ~ Сцинтилляцнонный счетчик ~ Полупроводниковый ~ детектор Фотоядерные эмульсии сКамера Вильсона ~ Пузырьковая камера Искровая камера ~ Пропорциональная камера ~ Стримерная камера Пространст- Временное ~ Время венное разреше- , 'восстановразрешение, см нне, с ~ лсния, с 5 86) Детекторы частиц Ионизационные камеры бывают токовыми и импульсными.
Токовые ионизационные камеры дают сведения об общем количестве ионов, образовавшихся в 1 с. Соответствующие токи обычно малы (10 'гав 10 ш А) и требуют усиления для регистрации. В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения на высокоомном сопротивлении Я, которое должно быгь включено в цепь вместо гальванометра С (рис. 154).
Это напряжение появляется при прохождении через Л ионизационного тока, вызванного движением частицы. Амплитуда и длительность импульса зависят от времени релаксации т = ЯС, где С емкость конденсатора. Время релаксации т должно быть велико по сравнению с временем собирания образовавшихся электронов на электродах, иначе элекгронный импульс рассосется уже во время его образования.
Размеры ионизационных камер обычно порядка нескольких сантиметров. Скорость электронов при ионизации атома в тысячи раз превосходит скорость ионов. По этой причине электроны собираются на элек градах примерно во столько же раз быстрее, гем ионы. Подбором сопротивления й можно добиться того, чтобы импульсы ионизационной камеры соответствовали бы сбору только электронов, а не ионов.
Таким путем удается уменьшить длительность импульса до 1 мкс. Рассмотрим в качестве примера прохождение ге-частицы с энергией 5 МэВ через импульсную ионизационную камеру, наполненную аргоном. Средняя энергия ионизации атома аргона 25 эВ. Поэтому до замедления о-частица производит 5 10е: 25 = 2 10е пар ионов. В результате через камеру проходит количество электричества С 2 10ее = 2 1Ое . 1,6 10 'э = 3,2 10 'е Кл.
Если емкость конденсатора С = 10 ы Ф, то ему соответсгвует импульс напряжения Г = Я/С = 3,2 10 з В. Так как сопротивление В высокоомное, то этот импульс напряжения почти весь приходится на гс. Это весьма слабый импульс, поэтому он подается на вход усилителя. Наполнение камеры другим газом существенно ничего не меняет, так как средняя энергия, которая идет на образование одной пары ионов, для всех газов одного порядка (25 — 35 эВ). С другой стороны, увеличение импульса напряжения И за счет уменьшения емкости конденсатора С может производиться также в ограниченных пределах, так как время релаксации т = ЛС, как мы видели, нельзя брать меньше определенной величины.
Для составления ориентировочного представления о порядках встречающихся величин заметим, что при напряженности электрического поля 500 В/см в воздухе при нормальных условиях скорость дрейфа электронов равна примерно 10ь, а ионов — только 10з см/с. При размерах камеры порядка нескольких сантиметров время собирания на электродах для электронов составляет 10 ь, а для ионов 10 з с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
