Современные трековые приборы: физические принципы их действия и применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные трековые приборы: физические принципы их действия и применения

Минск 2013

Информативность любого эксперимента определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики элементарных частиц - история создания методов регистрации частиц. Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон, создаваемый другими частицами. При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы можно сделать видимой. Этот способ реализуется в так называемых трековых детекторах.

Трековые детекторы - группа детекторов, в которых при прохождении заряженной частицы возникает визуально наблюдаемый след (трек) этой частицы.

К трековым приборам относится: камера Вильсона, пузырьковая камера. Но, как известно, наука не стоит на месте, и появляются более современные виды трековых детекторов, такие как ядерные фотографические эмульсии, искровые камеры, твердотельные трековые детекторы и др.

Особое внимание хотелось бы уделить современным трековым приборам.

Ядерная фотографическая эмульсия (Я. ф. э.) - фотография, эмульсия, предназначенная для регистрации траекторий (треков, следов) частиц. Метод основан на том, что заряженная частица, проходя через эмульсию, разрушает кристаллы галогенида серебра и делает их способными к проявлению.

Я. ф. э. отличается от обычной фотоэмульсии (рис. 1) двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатина в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10-100 раз больше, достигает иногда 1000-2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100-600 мкм). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферическую или кубическую форму, их линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08-0,30 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Зёрна различных эмульсий (электронные микрофотографии, увеличение 20000): а) ядерная фотоэмульсия типа Ильфорд-5; б) обычная фотоэмульсия

Процесс проявления экспонированной эмульсии играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (скрытого фотографического изображения), подобно тому как лавинный разряд в Гейгера счётчике или бурное вскипание пузырьков в пузырьковой камере многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряженной частицей. Как правило, частицы обладают большой энергией, благодаря чему они могут создавать центры чувствительности в лежащих на их пути зёрнах галогенида серебра. После фиксирования Я. ф. э. вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен - металлический Ag на фоне прозрачного желатина. Зёрна расположены в следе тем плотнее, чем больше ионизующая способность частицы и чем выше чувствительность эмульсии. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200-2000.

В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные пластины. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космическом излучении) эмульсионные слои укладывают в большие стопки в несколько сотен слоев (эмульсионные камеры). Объём камеры достигает десятков литров; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отд. слои могут быть наклеены на стеклянные подложки и обработаны обычным образом. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему траекторию частиц легко прослеживать по всей стопке, переходя от слоя к слою.

Свойства следа, оставленного в эмульсии заряженной частицей, зависят от её заряда е, скорости u и массы т. Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных е и u пропорционален т; при достаточно большой скорости u частицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) qe2/u2. Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если е велико, мерой заряда может быть число d-электронов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также пропорциональна е2/u2. Если е=1, а u~с, то след частицы в Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 20-25 чёрных точек на ~ 100 мкм пути.

В Я. ф. э. можно измерять рассеяние частицы-ср. угловое отклонение на единицу пути: j~e/pu(p-импульс частицы). Я. ф. э. можно поместить в сильное магнитное поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода Я. ф. э.- высокое пространственное разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями меньше 1 мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта ~10-16 с) и возможность длительного накопления редких событий.

Ядерная фотографическая эмульсия применяется также в авторадиографии: в структуру исследуемого объекта вводится небольшое количество радиоактивных атомов, которые обнаруживают своё присутствие распадами, и ядерная фотографическая эмульсия, помещённая вблизи объекта, может указать их локализацию.

Фотографирование следов заряженных частиц в фотоэмульсиях , несмотря на развитие других методов регистрации частиц, является одним из важных методов современной ядерной физики.

Этот метод имеет ряд преимуществ:

- им можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения;

- фотопластинка всегда готова для применения (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние);

- эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью;

- он дает неисчезающий след частицы, который потом можно тщательно изучить.

Недостатком метода является длительность и сложность химической обработки фотопластинок и главное - много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе. [1]

Искровая камера - трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.

Рис.2. Схеме искровой камеры

Управляющие счётчики включены в схему совпадений. Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). При этом амплитуда электрического сигнала такого счётчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт. После разряда счётчику требуется время 10-3-10-4 с для восстановления (очистки рабочего газового объёма от положительных ионов), после чего он будет в состоянии зарегистрировать новую частицу.

Рис.3. Разрез искровой камеры: .1 -фотоаппарат; 2 - цилиндрическая линза; 3 - траектория частицы; 4 - корпус; 5 -электроды

В простейшем варианте искровой счётчик представляет собой два плоскопараллельных металлических электрода, к которым приложена разность потенциалов несколько кВ. Площадь электродов- десятки квадратных сантиметров. Пространство между электродами обычно заполнено инертным газом. Зазор между электродами может варьироваться в пределах0.1-10 мм. Разрядная искра строго локализована. Она возникает там, где появляются первичные электроны, и поэтому указывает место попадания частицы в счётчик.

Рис.4. Внешний вид двухсекционной искровой камеры

Искровая камера является управляемым трековым детектором, который запускается внешними счётчиками. Искровая камера представляет собой систему последовательных искровых счётчиков. Она состоит из серии параллельных металлических пластин, пространство между которыми заполнено инертным газом (чаще Не, Ne или их смесью). Расстояние между пластинами1 ? см. Площадь пластин от десятков см2 до нескольких м2. Внешние управляющие счётчики (сцинтилляционные детекторы, черенковские счётчики и т. п.), выделяют исследуемое событие, фиксируют факт прохождения заряженной частицы через искровую камеру и инициируют подачу на её пластины (одновременно с прохождением пластины или с некоторым опозданием) короткого(10-100 нс) высоковольтного импульса чередующейся полярности так, что между двумя соседними пластинами появляется разность потенциалов ?10 кВ. В рабочем объёме ионизационной камеры создаётся сильное электрическое поле(5 - 20 кв/см). Электроны, возникшие вдоль траектории частицы в процессе ионизации атомов газа, ускоряются полем, ионизуют и возбуждают атомы газа(ударная ионизация).

В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, которые в зависимости от амплитуды и длительности импульса либо перерастают в видимый глазом искровой разряд, либо создают в газе локально светящиеся области небольшого объёма.

Рис.5. Схема возникновения трека в узкозазорной искровой камере

Разрядные искры строго локализованы. Они возникают там, где появляются свободные заряды, и поэтому воспроизводят траекторию движения частицы через камеру. В местах прохождения частицы между пластинами возникают искровые разряды, направленные вдоль поля (перпендикулярно пластинам - электродам). Совокупность этих последовательных разрядов формирует трек частицы. Трек может быть зафиксирован либо оптическими методами (например, сфотографирован), либо электронными. В этом последнем случае пластины заменяются металлическими нитями, образующими координатную сетку. Импульсы тока, возникающие в нитях при появлении искр, регистрируются электромагнитными методами, например, с помощью ферритовых колец, нанизанных на каждую нить, и анализируются ЭВМ.

Пространственное разрешение обычной искровой камеры ?0.3 мм. Частота срабатывания10-100 Гц. Искровые камеры могут иметь длину несколько метров.

Рис.6. Трек частицы в узкозазорной искровой камере

В трековой ионизационной камере (расстояние между электродами3 - 50 см) искровой разряд точно следует в направлении траектории частицы. Электронно-фотонные лавины, развивающиеся от первичных электронов, в этом случае сливаются в узкий светящийся канал, идущий вдоль трека. В настоящее время более широкое распространение получила стримерная камера (изобретена в1963 г. Г.Е. Чиковани и Б.А. Долгошеиным), которую можно считать разновидностью искровой камеры. Она также является управляемым импульсным газоразрядным детектором, в котором разряд обрывается на более ранней стадии, не успевая перейти в искру. Для этого на две параллельные плоские металлические пластины, отстоящие друг от друга на десятки сантиметров(обычные размеры стримерной камеры 1х0.5х0.5 м3), подаётся очень короткий(<20 нс) высоковольтный импульс, создающий напряжённость электрического поля до50 кВ/см. Использование столь короткого импульса обеспечивает прекращение разряда на доискровой (стримерной) стадии. Стримеры - это узкие направленные вдоль поля светящиеся каналы ионизованного газа длиной до нескольких миллиметров, возникающие в предпробойной стадии искрового разряда. Стримеры вырастают в сильном электрическом поле в местах ионизации, созданной заряженной частицей. Совокупность стримеров вдоль пути пролёта частицы формирует её трек. Треки обычно фотографируют. По качеству изображения эти треки несколько уступают тем, которые получают в пузырьковых камерах. Типичное пространственное разрешение стримерной камеры 0.2-0.3 мм. Стримерные камеры часто используют совместно с магнитным полем. В них, в отличие от искровых камер, хорошо воспроизводятся треки в любых направлениях.

Рис.7. Следы частиц в стримерной искровой камере

В стримерной ионизационной камере (расстояние между электродами 5-20 см) лавины от электронов на треке развиваются независимо друг от друга и сопровождаются локальным свечением газа. При кратковременном импульсе(~10 нсек) напряжения между электродами ионизационной камере удаётся получить достаточно яркие для фотографирования светящиеся каналы-- стримеры, длиной от3 до10 мм. Искровая камера позволяет, помимо траектории, в ряде случаев определять ионизующую способность частиц. Помещенная в магнитное поле искровая камера служит для определения импульсов частиц по кривизне их траекторий. Искровые камеры могут работать при очень интенсивных потоках заряженных частиц на ускорителях, так как время их памяти(время сохранения в объёме газа электронов ионизации) может быть уменьшено до1 мксек. С другой стороны, искровые камеры способны работать с большой частотой, так как их мёртвое время(время восстановления камеры после срабатывания) составляет всего несколько мсек.

Кроме фотографирования, в искровых камерах широко применяют другие методы съёма информации, позволяющие, в частности, передавать данные с искровой камеры непосредственно на электронные вычислительные машины и автоматически их обрабатывать. Например, в проволочных искровых камерах, имеющих электроды в виде ряда тонких нитей, расположенных на расстоянии~ 1 мм друг от друга, появление искры сопровождается разрядным током в близлежащей нити; эта информация позволяет определить координаты искры и может быть передана непосредственно на компьютер.

Рис.10. Распад пиона в искровой камере

В акустических искровых камерах с помощью установленных вне зазора пьезокристаллов улавливают ударную волну в газе, возникающую в момент искрового пробоя. Интервал времени между появлением искры и сигналом в пьезокристалле позволяет определить расстояние искры от кристалла, т. е. координаты искры.

Итак, искровая камера - прибор для регистрации частиц, действие которого основано на развитии искрового разряда в газовом промежутке электрического конденсатора при пролете через него частицы. Искровой разряд возникает благодаря электронам, появляющимся при ионизации газа заряженной частицей. Разряд вдоль следа (трека) частицы видим невооруженным глазом, и может быть сфотографирован. Главное преимущество искровых камер - малая инерционность (по сравнению с другими трековыми детекторами). [2]

Твердотельные трековые детекторы. Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

Итак, как описывалось чуть выше, самым главным достоинством твердотельных детекторов заключается в их чувствительности к очень тяжелым частицам и способность сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. [3]

Установка для регистрации элементарных части ATLAS на большом адронном коллайдере в CERN.

В этом гигантском сооружении высотой с восьмиэтажный дом собрана аппаратура для регистрации взаимодействий адронов- элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном взаимодействии. Это детекторы мюонов 1, трековый детектор переходного излучения 8, электромагнитные и адронные калориметры 3, 4, 7, огромные сверхпроводящие магниты 2, 5, 9. Детекторы закрыты мощным слоем радиационной защиты 6. Все устройства выполнены с точностью до100 мкм и должны работать синхронно в условиях сильных полей и потоков фотонов и нейтронов плотностью107 см2/с многие годы(рис.10).

Рис.9. Схема для регистрации элементарных частиц ATLAS

ATLAS регистрирует все частицы, приходящие в детектор под любыми углами, одновременно фиксируя их характеристики. Основа всей установки - детектор переходного излучения 8 для регистрации ультрарелятивистских частиц и их классификации по рентгеновскому излучению, возникающему при их переходе границы двух сред (здесь- воздуха и полипропилена). Детектор состоит из400 тыс. трубок диаметром4 мм с четырехслойными стенками толщиной28 мкм. По принципу работы они напоминают счетчик Гейгера: трубка наполнена газовой смесью, по ее оси проходит тонкая проволока под напряжением1500 В. Частица ионизует газ, электрон дрейфует к проволоке (аноду). Возникший сигнал считывается с точностью около 1 нс по времени и пространственно до 100 мкм. Детектор занимает объем несколько кубических метров и позволяет регистрировать и распознавать «сорта» примерно10 млрд. частиц ежесекундно.[6]

Вывод: с открытия в конце XIX века первой элементарной частицы - электрона уже более ста лет физики придумывают все новые и новые приборы для изучения этих мельчайших единиц материи. Проще всего регистрировать заряженные частицы, поэтому их и открыли раньше. Их выдает ионизационный след, оставляемый электронно-ионными парами вдоль своего пути. Таким образом, трековые детекторы - это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы).

ядерный фотографический эмульсия частица

Список используемой литературы

1. Ветохин, С.С.Радиохимия.-Мн.:БГТУ.-2010.-161.

Размещено на Allbest.ur