Детекторы Частиц

0 171

Детекторы частиц, также называемые детекторами излучения, представляют собой инструменты, предназначенные для обнаружения и измерения субатомных частиц, таких как те, которые испускаются радиоактивными материалами, производятся ускорителями частиц или наблюдаются в космических лучах . К таким частицам относятся электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы, гамма-лучи и многочисленные мезоны и барионы. Большинство детекторов так или иначе используют ионизацию, возникающую при взаимодействии этих частиц с веществом.

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера является одним из старейших и простейших из многих детекторов частиц. Немецкий физик — ядерщик Гейгер (1 882 — 1 945) и немецко-американский физик Эрвин Вильгельм M ü Мюллером (1911 — 1977) разработал счетчик в начале двадцатого века, вскоре после открытия радиоактивности. Принципиальная схема счетчика Гейгера показана на рисунке 1.

Проволочный электрод проходит по центральной линии цилиндра с проводящими стенками. Трубка обычно заполнена одноатомным газом, таким как аргон, под давлением около 0,1 атмосферы. Между стенками и центральным электродом прикладывается высокое напряжение, немного меньшее, чем требуется для создания разряда в газе. Быстро движущаяся заряженная частица, которая

Попадание в трубку ионизирует некоторые молекулы газа в трубке, вызывая разряд. Результатом каждого ионизирующего события является электрический импульс, который может быть усилен для активации наушников или громкоговорителя, что делает счетчик полезным при поисках радиоактивных минералов или в исследованиях для проверки радиоактивного загрязнения. Счетчик предоставляет очень мало информации о частицах, которые его запускают, потому что сигнал от него одинакового размера, независимо от того, как он запускается. Тем не менее, можно довольно много узнать об источнике излучения, вставив различную степень защиты между источником и счетчиком, чтобы увидеть, как ослабляется излучение. И посмотрите здесь про  детектор оптического излучения

Сцинтилляционный Детектор

Сцинтилляционные счетчики изготовлены из материалов, излучающих свет при движении заряженных частиц. Чтобы обнаружить эти события и получить информацию об излучении, необходимо использовать некоторые средства обнаружения света. Одним из первых сцинтилляционных детекторов был стеклянный экран, покрытый сульфидом цинка. Этот тип детектора использовался Новой Зеландии -Британский физик Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) в ранних версиях своего классического эксперимента , в котором он открыл ядро атома рассеяния альфа — частиц из тяжелых атомов , таких как золото. Рассеянные альфа-частицы попадают на сцинтилляционный экран. Экспериментаторы в затемненной комнате, используя только человеческий глаз, наблюдали возникающие небольшие вспышки.

Современный сцинтилляционный счетчик обычно использует так называемую фотоумножительную трубку для обнаружения света. Свет, падающий на фотокатод такой трубки, преобразуется в электрический сигнал и усиливается в миллионы раз, после чего его можно отправить на соответствующие счетчики. Физики , работающие на ускорителей частиц часто используют прозрачные пластиковые материалы , такие как Lucite ® или плексиглас , к которым добавлены материалы , чтобы сделать их мерцать. Эти пластиковые сцинтилляторы можно разрезать до удобной формы, установить на трубку фотоумножителя и поместить в пучки частиц, чтобы обеспечить очень быстрый сигнал при прохождении через них заряженных частиц.

Очень полезный сцинтилляционный детектор, особенно для измерения гамма-излучения , использует прозрачный кристалл NaI (иодида натрия), установленный на фотоэлектронном умножителе. Эти кристаллы особенно полезны, потому что заряженные частицы производят в них количество света, прямо пропорциональное их энергии, в широком диапазоне. Принципиальная схема сцинтилляционного спектрометра гамма-излучения показана на рисунке 2.

Гамма-лучи не имеют заряда, поэтому ни один детектор не чувствителен к ним напрямую. К счастью, гамма-лучи взаимодействуют с веществом и производят заряженные частицы — обычно электроны. Для измерения энергии гамма-лучей два наиболее важных взаимодействия — это фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. Эти два процесса могут объединяться для образования энергичных электронов в кристалле, который, мерцая, производит количество света, прямо пропорциональное энергии гамма-излучения. Эти световые импульсы преобразуются в электрические импульсы в фотоумножителе. Они усиливаются и отправляются на анализатор амплитуды импульсов, который сортирует импульсы и отображает их спектр. Определенный гамма-луч проявляется в виде довольно резкого пика в этом распределении высоты импульса.

Твердотельные Детекторы

Аналогичные результаты со значительно улучшенным разрешением по энергии, резкостью пиков в распределении высот импульсов, могут быть получены с использованием твердотельных детекторов, изготовленных из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. При правильной конструкции электрические заряды, высвобождаемые в материале при прохождении заряженных частиц, могут собираться непосредственно, создавая короткий электрический импульс, который можно усиливать и анализировать. Детекторы из германия, предназначенные для использования с гамма-лучами, могут иметь пики в распределении высоты импульса почти в 100 раз уже, чем пики от детектора из иодида натрия. Чтобы получить такое улучшенное разрешение, эти детекторы необходимо охладить до температуры жидкого азота: 77K (-320,8 ° F; -196 ° C).

Твердотельные детекторы меньшего размера, обычно сделанные из кремния, также используются для измерения энергии альфа-частиц, бета-лучей (электронов) радиоактивных материалов и рентгеновских лучей.

Детекторы Нейтронов

Поскольку нейтроны не заряжены, их обнаружение должно зависеть от взаимодействия с веществом, которое производит энергичные заряженные частицы. Есть несколько ядерных реакций, инициированных нейтронами, в результате которых образуются заряженные частицы. Одной из наиболее полезных для медленных нейтронов является реакция, в которой нейтрон падает на ядро ​​бора. В результате этой реакции образуются ядро ​​лития и альфа-частица , оба из которых быстро движутся. Обратите внимание, что для этой реакции требуется изотоп бора массой 10 с естественным содержанием около 20%, и что альфа-частица является просто ядром атома гелия. Бор обычно входит в состав молекулы газа BF 3.(трифторид бора), который можно использовать в качестве газа в пропорциональном счетчике, который очень похож на счетчик Гейгера. Разница лишь в том, что используемые напряжения ниже, так что разряд не распространяется прерывисто по всему центральному электроду, в результате чего электрический сигнал, исходящий от трубки, пропорционален количеству образующихся ионов. Сигналы намного меньше, чем от трубки Гейгера, и требуют большего усиления, но сигнал, производимый ядром лития и альфа-частицей, которые оба сильно ионизируют, относительно велик и легко различим. Для быстрых нейтронов вероятность этой реакции бора становится очень низкой, поэтому требуются другие методы. Полезный метод — использование пропорционального счетчика, заполненного водородом.

Черенковские Детекторы

Когда заряженная частица движется через прозрачный материал со скоростью v, большей, чем

Скорость света c в этом материале, он излучает свет в прямом направлении под углом, косинус которого равен c / vn, где n — показатель преломления материала. Этот свет называется черенковским излучением и может быть обнаружен с помощью фотоэлектронных умножителей, как и в случае сцинтилляционных детекторов (рис. 3).

Она названа в честь русского физика советского физика Павла Алексеевича Черенкова (1904 — 1990) , который открыл его в 1934 году специальной теории скоростей пределы относительности частиц до значений меньше , чем с, скоростью света в вакууме. Детекторы Черенкова бывают двух типов. Пороговый детектор просто определяет тот факт, что излучается свет, и указывает, что скорость частицы, проходящей через него, больше, чем c / n. Другие более сложные детекторы могут фактически определять скорость v, измеряя угол, под которым излучается свет.

Туманные Камеры И Пузырьковые Камеры

В камере Вильсона используется замкнутый объем чистого воздуха, насыщенного водяным паром. Если этот объем воздуха заключен в цилиндр с поршнем, и объем внезапно увеличивается, температура воздуха падает, в результате чего смесь становится перенасыщенной. Если заряженная частица проходит через объем в это время, пар имеет тенденцию конденсироваться на образовавшихся ионах, оставляя след из капель воды на пути заряженной частицы. При правильном освещении и выборе времени эти тропы можно фотографировать. Если приложить магнитное поле, можно измерить радиус кривизны этих дорожек. Эта информация в сочетании с плотностью капель вдоль следа может использоваться для измерения энергии частицы. Камера Вильсона впервые был использована шотландским физиком Чарльзом Томсоном Рисом (CTR) Вильсоном (1869 — 1959) примерно в начале двадцатого века и был полезен на заре ядерной физики . Однако он страдает рядом недостатков, таких как длительное время, необходимое для рециркуляции, и низкая плотность воздуха. В 1932 году американский физик — экспериментатор Карл Дэвид Андерсон (1905 — 1991) открыл позитрон, античастица электрона при использовании камеру Вильсона для наблюдения космических лучей .

Довольно похожее устройство, называемое пузырьковой камерой, было разработано с использованием жидкости, а не газа. Используются сжиженные газы, такие как водород, ксенон и гелий. К жидкости прилагается давление, чтобы она оставалась жидкостью выше ее нормальной точки кипения при атмосферном давлении. Если давление внезапно снижается, жидкость перегревается, но самопроизвольно не закипает, по крайней мере, в течение короткого времени. Чтобы закипеть, жидкость должна иметь небольшие неровности, на которых образуются пузырьки пара, и они могут находиться в пузырьковой камере ионами, оставленными заряженными частицами, проходящими через камеру. Таким образом, крошечные пузырьки образуются вдоль следов частиц, проходящих через камеру, сразу после того, как давление было уменьшено. Пузырьки растут очень быстро, но если их сфотографировать в нужное время после расширения, они обнаруживаются как тонкий след из крошечных пузырьков.

Пузырьковые камеры очень хорошо работают с импульсными ускорителями частиц. Расширение камеры может быть синхронизировано так, чтобы частицы из ускорителя проходили через нее сразу после расширения камеры. Как и в случае с камерой Вильсона, приложение магнитного поля позволяет измерять кривизну треков, и когда эта информация объединяется с плотностью пузырьков вдоль трека, энергия, импульс, заряд (знак) и масса частицы могут быть определенный. Пузырьковая камера была изобретена в 1953 году американским физиком и нейробиологом Дональдом Артуром Глейзером (1926 -), который использовал небольшой стеклянный прибор, содержащий около 30 кубических сантиметров диэтилового эфира. Использование и размер пузырьковых камер росли в течение следующих десятилетий, что привело к открытию частицы омега-минус в пузырьковой камере 80 дюймов (203 см) в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1964 году; и строительство камеры Гаргамель на 3168 галлонов (12 000 л) в лаборатории ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) в Женеве, Швейцария , в начале 1970-х годов. Признавая важность этого устройства для исследований в области физики элементарных частиц, в 1960 году Глейзер был удостоен Нобелевской премии по физике.

Leave A Reply

Your email address will not be published.