Регистрация заряженных частиц

Методы регистрации и Детекторы частиц

§ Калориметрический (по выделяемой энергии)

§ Фотоэмульсионные

§ Пузырьковые и искровые камеры

§ Сцинтилляционные детекторы

§ Полупроводниковые детекторы

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности, открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света. Черенковское излучение впервые наблюдалось визуально. Первая пузырьковая камера, в которой Глезер наблюдал треки -частиц была величиной с наперсток. Источником частиц высоких энергий в то время были космические лучи - частицы, образующиеся в мировом пространстве. В космических лучах впервые наблюдались новые элементарные частицы. 1932 год - открыт позитрон (К. Андерсон), 1937 год - открыт мюон (К. Андерсон, С. Недермейер), 1947 год - открыт -мезон (Пауэл), 1947 год - обнаружены странные частицы (Дж. Рочестер, К. Батлер).

Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения её энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

Обычно в экспериментах по физике ядра и частиц необходимо выделять "нужные" события на гигантском фоне "ненужных" событий, может быть одно из миллиарда. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, используют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т.п. Часто используется селекция частиц по их времени пролёта определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Незаряженные частицы (-кванты, нейтроны, нейтрино) детектируются по вторичным заряженным частицам, возникающим в результате их взаимодействия с веществом детектора.

Нейтрино непосредственно не регистрируются детектором. Они уносят с собой определённую энергию и импульс. Недостачу энергии и импульса можно обнаружить, применяя закон сохранения энергии и импульса к другим зарегистрированным в результате реакции частицам.

Быстрораспадающиеся частицы регистрируются по их продуктам распада. Большое применение нашли детекторы, позволяющие непосредственно наблюдать траектории частиц. Так с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле были открыты позитрон, мюон и -мезоны, с помощью пузырьковой камеры - многие странные частицы, с помощью искровой камеры регистрировались нейтринные события и т.д.

1. Счётчик Гейгера. Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью.

При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Пропорциональный счетчик. Пропорциональный счетчик имеет такую же конструкцию, как и счётчик Гейгера. Однако за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси в пропорциональном счетчике при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в 10³ - 10⁶ раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.

3. Ионизационная камера. Так же как в счетчике Гейгера и пропорциональном счетчике в ионизационной камере используется газовая смесь. Однако, по сравнению с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. В зависимости от требований эксперимента для измерения энергии частиц используется либо только электронная компонента токового импульса, либо электронная и ионная.

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать, достигали электродов.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются, и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.

Схема ионизационной камеры

В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля Eкс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля Eса > Eкс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов.

Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов. Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временнoе разрешение ионизационной камеры будет достигать 10-6 с.

Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию, необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа 30-40 эВ).

Пример. Оценить величину тока от -частицы с энергией E = 5 МэВ, полностью остановившейся в объёме ионизационной камеры (пробег такой -частицы в воздухе около 4 см).

Оценку сделаем для электронной компоненты тока. Вычислим число электронов, образовавшихся в объёме ионизационной камеры

ne = E/ 5 МэВ/35 эВ1.5.10⁵.

Это соответствует собранному заряду 1.5×10⁵ x 1.6.10^-19 Кулон = 2.4.10^-14 Кл. Средняя величина электронного тока <i_e> получается делением ne на время сбора электронов t_e = 10^-6 с:

<i_e> = n_e/t_e = 2.4.10^-14 Кл/10^-6 с = 2.4.10^-8А.

Пример. Оценить предельное энергетическое разрешение ионизационной камеры для -частиц с энергией E = 5 МэВ.

Энергетическое разрешение DЕ/Е ионизационной камеры ограничено флуктуациями ионизационных потерь частицы в газообразной среде детектора. Поскольку эти флуктуации подчиняются распределению Пуассона, то предельное энергетическое разрешение находится из соотношения (см. статистика в микромире)

DЕ/Е»1/Ön= (1.5.10^5)-1/2,

где n – число электрон-ионных пар. Для -частицы с энергией 5 МэВ это даёт DЕ/Е»2.5×10^-3 и

Е»12.5 кэВ.

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением.

Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию ионизационной камеры - камеру деления.

4. Полупроводниковый детектор.

Устройство полупроводникового детектора, которые обычно изготовляются из кремния или германия, аналогично устройству ионизационной камеры. Роль газа в полупроводниковом детекторе играет определенным образом созданная чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию о количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. И, если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы. Полупроводниковые детекторы обладают высоким энергетическим разрешением.

Число пар ионов nион в полупроводниковом счётчике определяется формулой N_ион = E/W,

где E - кинетическая энергия частицы, W - энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Для германия и кремния W ~ 3-4 эВ и равна энергии, необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Малая величина W определяет высокое разрешение полупроводниковых детекторов, по сравнению с другими детекторами, в которых энергия первичной частицы тратится на ионизацию (Еион >> W).

Дата добавления: 2014-01-14