Детекторы частиц. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Действие Д. основано на разл. процессах взаимодействия частиц с веществом. Осн. процессами, к-рые вызываются заряж. частицами, являются ионизация и возбуждение атомов и молекул, а также (для релятивистских частиц) возбуждение черенковского и переходного излучений. Нейтральные частицы (напр., нейтроны,

-кванты) регистрируются по вторичным заряж. частицам, появляющимся в результате их взаимодействия с веществом. В случае

-квантов это электроны, возникающие в результате фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар (см. Гамма-излучение ).Быстрые нейтроны регистрируются по заряж. продуктам взаимодействия (ядрам, протонам, мезонам и др.), медленные нейтроны - по излучению, сопровождающему их захват ядрами вещества (см. Нейтронные детекторы).

Д. делятся на два класса. В трековых Д. прохождение заряж. частицы фиксируется в виде пространственной картины следа (трека) этой частицы; картина может быть сфотографирована или зарегистрирована электронными устройствами. В электронных Д. прохождение частицы вызывает появление электрич. импульса, к-рый используется для регистрации и управления разл. процессами. Методы и аппаратура для усиления, преобразования и регистрации электрич. импульсов от электронных Д. составляют предмет ядерной электроники. Прогресс в области электронных Д. и в ядерной электронике приводит к тому, что всё б. ч. электронных Д. позволяет получить помимо электрич. импульсов и пространственную картину следа заряж. частиц. В эксперименте используются ЭВМ, к-рые не только запоминают и обрабатывают информацию, получаемую с электронных Д., но и управляют условиями опыта (см. Автоматизация эксперимента).

Основные характеристики детекторов: эффективность - вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объём Д.; пространственное разрешение - точность локализации места прохождения частицы; временное разрешение - мин. интервал времени между прохождением двух частиц, к-рые регистрируются как отд. события; мёртвое время (время восстановления) - интервал времени после регистрации частицы, в течение к-рого Д. остаётся нечувствительным (табл.).

Сравнительные характеристики некоторых детекторов

Трековые детекторы. Среди наиб. распространённых трековых Д.- ядерные фотографич. эмульсии, пузырьковая камера, искровая камера, пропорциональная и дрейфовая камеры. Вильсона камера и диффузионная камера играли важную роль на ранних этапах развития ядерной физики, но в дальнейшем вытеснены др. трековыми Д.

В ядерной фотографической эмульсии проходящая заряж. частица вызывает ионизацию и тем самым создаёт центры скрытого изображения. После проявления трек частицы предстаёт в виде цепочки зёрен металлич. серебра. Благодаря малому размеру зёрен (1 мкм) пространственное разрешение чрезвычайно высокое, временное разрешение практически отсутствует, т. к. совпадает со временем облучения эмульсии. Это один из осн. недостатков метода. Др. недостатком является сложность поиска и обмера событий.

Пузырьковая камера применяется в экспериментах на ускорителях. Она наполняется жидкостью, к-рая в определённый момент времени вводится (сбросом давления) в перегретое состояние. Жидкость нек-рое время не вскипает, т. к. отсутствуют центры, на к-рых начинается кипение. Роль этих центров играют ионы, образующиеся вдоль трека заряж. частицы, на к-рых начинают расти пузырьки пара. Пока пузырьки имеют ещё размер

1 мм, их освещают импульсным источником света и фотографируют. Пузырьковые камеры помещают в магн. поле для измерения знака и импульса заряж. частиц. Камеры обладают высоким пространственным разрешением, к-рое ограничивается возможностями фотографии. Использование голографич. методов позволит, по-видимому, примерно в 10 раз улучшить пространственное разрешение (см. Голография).

Большую роль в эксперим. физике элементарных частиц сыграла искровая камера .В простейшем случае это объём газа, в к-ром на нек-ром расстоянии друг от друга находятся два плоских электрода. Если одновременно с прохождением заряж. частицы через газ (задержка ~10^-6 с) подать на электроды высокую разность потенциалов (~5

10 кВ/см), то между электродами в том месте, где пройдёт частица, произойдёт искровой пробой. Создавая систему из многих электродов, можно получить след частицы в виде цепочки искр. Пространственную картину события можно восстановить, фотографируя одновременно неск. фотоаппаратами.

В широкозазорных камерах расстояние между электродами увеличено и искра следует за треком частиц вплоть до углов 45° к поверхности электродов. В стримерных камерах высоковольтный импульс увеличивается по амплитуде и укорачивается во времени. В результате каждый стример, развивающийся от электронов первичной ионизации, затухает, не доходя до электрода. Таким путём достигается изотропность.

С внедрением ЭВМ в эксперимент большое развитие получили т.н. бесфильмовые искровые камеры, в к-рых координаты искр "запоминаются" электронным способом. Напр., в проволочных искровых камерах электроды изготовлены в виде системы параллельных проволочек. Искровой пробой происходит между проволочками 2 разл. плоскостей, номер проволочки запоминается электронным способом, напр. с помощью ферритных колец, нанизанных на каждую проволоку и представляющих собой стандартный элемент памяти ЭВМ. После того как событие зарегистрировано, вся информация о сработавших кольцах считывается в ЭВМ.

Электронные детекторы. Среди электронных Д. обширную группу составляют ионизац. Д. Наиб. простой из них - ионизационная камера - представляет собой нек-рый объём газа с размещёнными в нём двумя электродами, между к-рыми приложено напряжение. Заряж. частица, проходя через газ, образует ионы и электроны, к-рые собираются на электродах, создавая в цепи камеры ток. Наиб. часто употребляются плоские и цилиндрич. электроды, где анодом служит нить, а катодом внешний коаксиальный цилиндр, одновременно являющийся корпусом камеры. Ионизац. камеры применяются как для регистрации отд. частиц, так и для измерения интегр. потоков. Достоинства ионизац. камеры - простота, надёжность; недостаток - малый уровень сигнала, к-рый определяется кол-вом пар ионов и электронов, образованных в газе заряж. частицей. Ионизац. камера имеет горизонтальный участок на вольт-амперной характеристике, соответствующий полному собиранию ионов и электронов (рис.).

Зависимость амплитуды импульсов, вырабатываемых ионизационными детекторами, от напряжения на электродах в случае прохождения через детектор быстрой космической частицы, образующей N

10-20 пар ионов, и

-частицы, создающей N= 10⁵ пар ионов.

Если продолжать повышать разность потенциалов на электродах, то электроны, движущиеся к аноду, будут приобретать всё большую энергию и, начиная с нек-рого напряжения, будут сами ионизовать. Продолжая увеличивать разность потенциалов, можно добиться условий, когда всё больше поколений электронов будут ионизовать, и заряд, собираемый на аноде, будет в 10³-10⁶ раз превышать первичную ионизацию. Эта область напряжений наз. пропорциональной областью, а Д.- пропорциональным счётчиком (область напряжений V₁-V₂). Характерная особенность этой области состоит в том, что при пост. разности потенциалов и составе газа коэф. пропорциональности между первичной ионизацией и сигналом на аноде остаётся постоянным.

Продолжая увеличивать напряжение на электродах, мы попадём через область ограниченной пропорциональности в область Гейгера (V₂-V₃), где заряд, собираемый на аноде Д., не зависит от первичной ионизации. Амплитуда импульса в этой области будет зависеть лишь от приложенного напряжения. Это происходит потому, что независимо от первичной затравочной ионизации лавина электронов распространяется вдоль всей нити счётчика и процесс обрывается тогда, когда поле анода полностью экранируется облаком медленных положит. ионов. Недостаток счётчика Гейгера - относительно большое мёртвое время, определяемое временем дрейфа ионов. Мёртвое время удаётся уменьшить, обрывая распространение электронной лавины вдоль нити на пути ~1 см. Это достигается либо подбором смеси рабочих газов, либо введением механич. преград, либо электронной схемой (см. Гейгера счётчик).

Прогресс в области ядерной электроники и внедрение ЭВМ в технику эксперимента привели к созданию системы нитяных пропорциональных счётчиков, объединяющих десятки тысяч отд. счётчиков. В связи с этим появилась возможность объединить все преимущества электронного Д. с трековым. Пространственное разрешение при этом определяется размером отд. счётчика. Дальнейший прогресс в улучшении пространственного разрешения Д. связан с появлением дрейфовых камер. Эти приборы представляют собой улучшенные пропорциональные счётчики, в к-рых дополнительно измеряется время дрейфа первичных электронов до нити, что позволяет существенно (до долей мм) улучшить пространственное разрешение.

Ионизац. Д. сыграли и продолжают играть чрезвычайно важную роль в разл. областях науки и техники. В 1970-х гг. разработана ионизац. камера на сжиженных инертных газах. Замена газовой среды жидкой позволила увеличить сигнал в ~10³ раз. Трудности связаны с необходимостью работать при низких темп-pax и необходимостью высокой чистоты сжиженного газа. Пока не удалось создать жидкий ионизац. Д. с развитием электронной лавины.

Наиб. близок к ионизац. камере по принципу действия полупроводниковый детектор ,к-рый представляет собой ионизац. камеру, в к-рой роль газа играет полупроводниковый кристалл. Полупроводниковый Д.- быстрый прибор, его разрешающее время ~10^-9 с, надёжен в работе, не подвержен влиянию магн. полей; недостаток - относительно небольшой объём Д.

Особую группу составляют Д., в к-рых используется свет, излучаемый при прохождении заряж. частиц через вещество. Это - сцинтилляционный детектор, черенковский счётчик и Д. на переходном излучении. Основные элементы сцинтилляц. Д.- сцинтиллятор, в к-ром проходящая заряж. частица вызывает световую вспышку, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), регистрирующий вспышку. Высокое временное разрешение сцинтилляц. Д. (~10^-9 с), большая амплитуда сигнала на выходе ФЭУ и малое время восстановления (~10^-8 с) обеспечили ему широкое применение.

В черенковском счётчике заряж. частица, двигаясь со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде, излучает свет, коррелированный с направлением движения (см. Черенкова - Вавилова излучение). T. к. излучение света происходит мгновенно, то временное разрешение определяется характеристиками ФЭУ. Кол-во излучаемого света, как правило, в десятки раз меньше, чем в сцинтилляц. Д., но достаточно для надёжной регистрации частиц.

В Д. на переходном излучении вспышка света появляется при прохождении заряж. частицы через границу двух сред с резко различными оптич. свойствами (обычно газ - твёрдое тело). Интенсивность света при этом пропорциональна энергии частицы, но невелика (значительно меньше, чем в случае черенковского излучения). Поэтому Д. на переходном излучении делают многослойными, они содержат сотни слоев газ - твёрдое тело.

Литература по детекторам частиц

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.


Детектор	Пространственное разрешение, см	Времен-нбе разрешение, с	Время восстановления, с
Ионизационная камера	1	10^-6	10^-4
Пропорциональный счётчик	1	10^-7	10^-5
Счётчик Гейгера	1	10^-6	10^-4
Сцинтилляционный счётчик	1	10^-9	10^-8
Полупроводниковый детектор	1	10^-9	10^-9
Фотоядерные эмульсии	10^-4
Камера Вильсона	10^-1	10^-1	10^-2
Диффузионная камера	10^-1	1	-
Пузырьковая камера	10^-2	10^-3	1
Искровая камера	10^-2	10^-6	10^-5
Пропорциональная камера	10^-2	10^-7	10^-6