Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 144
Текст из файла (страница 144)
!'1роходя через полупроводник, частица вы- "х ---О ',, О-'- зывает переход электронов из ваЭлектронно- лентной зоны в зону проводимо- сти, порождая пару электрон-дырЛырочная пара ка (см т !!! З 100) Энергия И' необходимая для рождения такой пары, составляет 2,9 эВ в германии и З,ос эВ в кремнии.
Если энергия частицы равна Ф, то на своем пути в полупроводнике она создает й,ГИ' электронно-дырочных пар. !!олупроводннковое Приложенное электрическое поле вещество оттягивает отрицательные заряды к поверхности, заряженной полоРис. 156 жительно, а положительные заря- ды к поверхности, заряженной отрицательно. В результате во внешней цепи появляется электрический сигнал, который усиливается и регистрируется. Чтобы в отсутствие регистрируемой частицы через полупроводник не проходил ток, поверхности полупроводника обрабатывают сильно легированными донорными и акцепторными примесями (см.
т. 111, 6 108). При этом отрица- 5 86) Детекторы частиц 571 тельный пашой присоединяют к положительному, а положительный рслой -- к отрицательному гюлюсу внешнего источника. При комнатной температуре тепловое возбуждение может приводить к нежелательным импульсам тока в приборе, и поэтому полупроводниковые детекторы нередко охлаждают до температуры жидкого азота. Размеры полупроводниковых счетчиков невелики несколько кубических сантиметров.
Ьольшими считаются полупроводниковые счетчики, объем которых доходит до 100 смз. Малые размеры рабочей области позволяют довести разрешающее время до 10 7 с. В области низких энергий (электроны до 2 МэВ, протоны до 20 МэВ) полупроводниковые счетчики обладают практически 100%-ной эффективностью, малым разрешающим временем и превосходят счетчики других типов по компактности и точности измерения энергии. 10. Старейшим трековым детектором является камера Вильсона (1869 — 1959), изобре генная ее автором в 1912 г. Принцип действия этой камеры был подробно рассмотрен в т. Ш (3 33, задача 4).
Он основан на конденсации пересыщенных паров воды или спирта на ионах, образованных при движении вдоль траектории заряженной частицы. Камера в нужный момент освещается импульсным исгочником света и фотографируется несколькими фотоаппаратами для получения стереоскопических изображений треков. Природа и свойсгва частицы устанавливаются по длине ее пробега, толщине трека и его искривлению в магнитном поле. Измеряя кривизну трека в сильном магнитном поле, можно определить импульс частицы и знак ее заряда. Этот метод был предложен в 1923 г.
независимо друг от друга П.Л. Капицей (1894 — 1984) и Д. В. Скобельциным (р. 1892). Камера Вильсона сыграла выдающуюся рсшь в ядерной физике и физике космических лучей. На протяжении нескольких десятилетий она была единственным трековым детектором заряженных частиц. Но в 50-е и 60-е годы она утратила свое значение, уступив место пузырьковой и искровой камерам. В настоящее вромя камера Вильсона используется главным образом как эффектный лекционный демонстрационный прибор.
Родственной с камерой Вильсона по принципу действия является диффузиощлал камера. В камере Вильсона пересыщение создаатся адиабатическим расширением газа (содержащего пары воды или спирта), а в диффузионной камере оно достигается за счет непрерывного потока пара от горячей поверхности у крышки камеры к более холодной поверхности у ее дна. В отличие от камеры Вильсона, в диффузионной камере пересыщение существует постоянно в некотором горизонтальном слое пара, в котором и получаются треки ионизующих частиц.
Поэтому диффузионная камера чувствительна к ионизующим частицам непрерывно. 11. Важнейшим трековым детектором заряженных частиц является пузырьковая, камера, изобретенная Глезером (р. 1926) в 1954 г. Принцип действия этой камеры был описан в т. 11 (3 119). Он основан на том, что можно получать жидкость с температурой выше точки кипения.
572 Источники и яеетоды регистрации ядерных частиц (Гл. ХП Такая перегретая жидкость нестабильна и через короткое время вскипает. Наиболее употребляемыми рабочими жидкостями служат жидкие водород., дейтерий, смесь неона с водородом — в криогенных камерах, а также пропан (СзНе), фреон и Хе (обычно в смеси с пропаном) —- в тяжеложидкостных камерах. Перегревание жидкости производится быстРым понижением давлениЯ от начального значениЯ сггн > сРо до М ( Зэо (Зэо Равновесное давление пРи темпеРатУРе Т). Понижение (снятие) давления достигается либо быстрым перемещением поршня в жидководородных камерах, либо посредством использования упругой мембраны (в пропановой и фреоновой камерах). Давление в камере снимается за 5 — 15 мс, после чего жидкость оказывается перегретой, т.
е, чувствительной к регистрации заряженных частиц. В момент максимальной чувствительности частицы впрыскиваются в камеру. Заряженная частица при прохождении через перегретую жидкость приводит к образованию центров кипения вдоль своей граектории. По современным представлениям причиной образования таких центров являются б-электроны., т.е. вторичные электроны, испускаемые атомами среды при соударенни с ними ионнзующей частицы.
Эги элекгроны поглощаются небольшими объемами жидкости, что приводит к нагреванию последних, возникновению зародышей кипения, а в дальнейшем — к образованию н росту пузырьков. За время порядка 0.,5-3 мс пузырьки достигают размера 50 — 300 мкм и при освещении их импульсным источником света могут быть сфотографированы несколькими фотоаппаратами. Пузырьковые камеры обычно применяются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами атомов жидкости, наполняющей камеру, а также актов распада частиц. В первом свучае жидкость в пузырьковой камере одновременно выполняет и роль мишени, и роль детектора частиц. Искажения следов частиц в пузырьковой камере невелики и определяются главным образом многократным рассеянием.
Эффективность регистрации определяется в основном размерами пузырьковой камеры. Камеры обычно имеют размеры 1 — 2 м. Однако на ускорителях сверхвысоких энергий используются и очень большие пузырьковые камеры. Так, пузырьковая камера СКАТ в Институте физики высоких энергий (г. Серпухов), заполненная жидким фреоном, имеет размеры 4,5 х 1,6 х 1,5 м, водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (США) 33 мз.
Пузырьковые камеры сыграли важную роль в открьггии н изучении сгранных частиц, нестабильных частиц-резонансов и т.д. Отметим некоторые их недостатки. 1'лавный недостаток пузырьковой камеры— невозможность в процессе работы огбирать нужные события, при исследовании редких событий — это приводит к необходимости просматривать очень много фотографий. Нельзя различить релятивистские частицы. На очень высоких энергиях требуется сепаратнрование пучка, а это трудно сделать.
Даже в самые большие камеры нельзя одновременно запускать более 5 — 6 заряженных частиц. Поэтому процессы з 86) Детекторы частиц 573 с сечением меньше 1 микробарна практически недоступны (за иск.лючением нейтрино, где проходит 10ю частиц), тогда как электронные приборы могут регистрировать до 107 — 10" частиц в секунду. 12. Самым дешевым грековым детектором заряженных частиц являются толстослойиые ядерные фшпоэмульсии.
Они отличаются от обычных фотоэмульсий более высокой чувствительностью и большей толщиной (сотни микрометров, тогда как толщина обычных фото- эмульсий порядка 10 мкм). Пластинки, покрытые слоем чувствительной фотоэмульсии, ставятся на пути ионизующих частиц, после чего проявляются. В результате частица оставляе"г след, образованный зернами металлического серебра (размер зерна около 0,3 мкм). Этот след рассматривается в микроскоп с увеличением в 500 — 1000 раз.
Измеренио длины пробега при известной массе частицы дает ее энергию, а измерение плотности зерен потери энергии на единицу пути, по которым можно судить о скорости частицы. Пластинку можно помещать в магнитное поле для измерения импульса частицы. Однако из-за короткой длины треков магнитное поле должно быть очень сильным. Главный недостаток метода — очень большая трудоемкость обработки пластинок, так как каждую пластинку приходится подолгу просматривать под сильным микроскопом. В последние годы в связи с изучением частиц с тяжелыми кварками техника фо"гоэмульсий вновь возродилась (изучение частиц со временем жизни 10 — 1О с). Используются гибридные установки с электроннымн детекторами для идентификации и определения вершин ) в эмульсии.
В гибридных установках используются также в качестве вершинных детекторов небольшие быстродействующие пузырьковые камеры высокого разрешения с лазерным и голографическим съемом информации. Разрешение — десятки микрометров. 13. В искровой камере, появившейся в конце 50-х годов, сочетается немедленность регистрации (т.е, отсутствие последующей обработки) с полнотой информации трековых детекторов. Принцип действия искровой камеры основан на возникновении искрового разряда в газе при попадании в него ионизующей частицы. Простейшая искровая камера состоит из двух плоскопараллельных электродов, пространство между которыми заполнено газом (чаще всего Ме, Аг или их смесью).
Площадь пластин от десятков квадратных сантиметров до наскольких квадратных метров. Одновременно с прохождением частицы или с некоторым запаздыванием (около 1 мкс) по сигналу системы детекторов (сцинтилляционных счетчиков, черенковских счетчиков и пр.), выделяющих искомое событие, на электроды искровой камеры подается короткий (порядка 10 — 100 нс) импульс высокого напряжения (5— 20 кВ/см).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
