Физические принципы детектирования элементарных частиц. Смотреть что такое "Детектор элементарных частиц" в других словарях
Детектор элементарных частиц
Детектор CMS, один из примеров большого детектора элементарных частиц.
Детектор элементарных частиц , детектор ионизирующего излучения в экспериментальной физике элементарных частиц - устройство, предназначенное для обнаружения и измерения параметров элементарных частиц высокой энергии, таких как космические лучи или частиц, рождающихся при ядерных распадах или в ускорителях .
Основные типы
Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках
- Детекторы на коллайдере LHC (CERN)
- Детекторы на коллайдере Tevatron
- Детекторы на электрон-позитронных коллайдерах
- Belle (коллайдер KEKB, KEK)
- BES (коллайдер BEPC, Пекин)
- CLEO (коллайдер CESR)
- КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Новосибирск)
- КМД, СНД (коллайдер ВЭПП-2М, ВЭПП-2000 , Новосибирск)
Прикладное применение
Помимо научных экспериментов, детекторы элементарных частиц находят применение и в прикладных задачах - в медицине (рентгеновские аппараты с малой дозой облучения, томографы , лучевая терапия), материаловедении (дефектоскопия), для предполетного досмотра пассажиров и багажа в аэропортах.
Литература
- K. Групен. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск. Сибирский хронограф, 1999.
- Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин, Web-публикация на основе учебного пособия Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. «Частицы и ядра. Эксперимент», М.: Издательство МГУ, 2005.
- Grupen, C. (June 28-July 10 1999). "Physics of Particle Detection". AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536 : 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI:10.1063/1.1361756 .
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Детектор из особо чистого германия
- Детелина
Смотреть что такое "Детектор элементарных частиц" в других словарях:
Детекторы элементарных частиц - Детектор CMS, один из примеров большого детектора элементарных частиц. Детектор элементарных частиц, детектор ионизирующего излучения в экспериментальной физике элементарных частиц устройство, предназначенное для обнаружения и измерения… … Википедия
Ускоритель элементарных частиц - Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор. Ускоритель заряженных частиц класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители,… … Википедия
Калориметр (физика элементарных частиц) - Не следует путать с колориметр. прибор для измерения цвета. Не следует путать с калориметр. в теплофизике прибор для измерения теплоты. Kалориметр (от лат. calor тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике прибор, который… … Википедия
Детекторы (приборы для регистрации элементарных частиц) - Детекторы (приборы для регистрации) ДЕТЕКТОРЫ частиц, приборы для регистрации элементарных частиц, ядер и g квантов. Действие детектора основано на ионизации и возбуждении атомов вещества. Различают детекторы дискретного счета частиц… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Детектор - Эту страницу предлагается переименовать в Детектор (значения). Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К переименованию/15 марта 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного русского языка и/или… … Википедия
Детектор переходного излучения - (ДПИ), Transition Radiation Detector (TRD) детектор быстрых заряженных частиц, который регистрирует переходное излучение, испускаемое релятивистской частицей при пересечении ею границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемости … Википедия
Детектор из особо чистого германия - Эта страница требует существенной переработки. Возможно, её необходимо викифицировать, дополнить или переписать. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К улучшению/26 августа 2012. Дата постановки к улучшению 26 августа 2012.… … Википедия
ДЕТЕКТОР - (1) прибор или устройство для регистрации элементарных и (см.) частиц (протонов, нейтронов, электронов, мезонов, кварков и др.), атомных ядер (альфа частиц и др.), рентгеновских и гамма квантов, а также для обнаружения теплового излучения.… … Большая политехническая энциклопедия
Черенковский детектор - Черенковский детектор, или детектоp чеpенковского излучения детектор элементарных частиц, использующий детектирование черенковского излучения, что позволяет косвенным образом определить массы частиц, или отделить более лёгкие частицы (дающие… … Википедия
Сферический нейтральный детектор - (сокращенно СНД) детектор элементарных частиц. Работал на электрон позитронном коллайдере ВЭПП 2М в ИЯФ им. Будкера в Новосибирске. После модернизации детектор работает на новом коллайдере ВЭПП 2000. Содержание 1 История детектора … Википедия
29 апреля поздно вечером (перенесли пока) NASA запускает на орбиту церновский детектор элементарных частиц AMS-02 . Строили этот детектор 10 лет, его старшие «собратья» уже вовсю работают на Большом адронном коллайдере, то бишь, под землей, а этот — полетит в космос! :)
Вот церновский пресс-релиз , вот будет вестись онлайн-трансляция запуска начиная с 21:30 по средне-европейскому времени, твиттер ЦЕРНа тоже будет передавать сводки. Запуск и всю последующую работу можно отслеживать на сайте эксперимента . А я пока вкратце расскажу про аппарат и научные задачи.
AMS-02 — это самый настоящий детектор элементарных частиц (почти) со всеми его атрибутами. Размер его — 4 метра, масса — 8,5 тонн. Конечно, с такой махиной, как ATLAS , он не сравнится, но для запуска в космос (и установки на МКС) и этого немало.
Если подземные детекторы регистрируют частицы, родившиеся при рукотворном столкновении протонов и иных частиц, то AMS-02 будет регистрировать космические лучи — частицы очень больших энергий, прилетающие к нам из глубокого космоса, разогнанные на «природных ускорителях». Космические лучи, конечно, изучаются уже давно, почти век, но с ними до сих пор связано много загадок.
Самая главная задача нового детектора — со сверхвысокой точностью измерить состав космических лучей. Какова доля антивещества в космических лучях? Как она изменяется с энергией? Нет ли там в небольших количествах каких-то новых тяжелых стабильных частиц (частиц темной материи), которые не удается родить на коллайдерах, но которые смогла породить Вселенная? А может быть, какие-то тонкие особенности в энергетическом спектре обычных частиц укажут на то, что они получились при распаде неизвестных до сих пор сверхтяжелых частиц?
AMS-02 будет изучать эти вопросы, регистрируя пролет частиц космических лучей сквозь вещество детектора и измеряя их импульс, скорость, энерговыделение, заряд. «Окно» оптимальной чувствительности детектора по энергии частиц — от примерно 1 ГэВ до нескольких ТэВ. Это окно покрывает предсказания многих моделей, а также пересекается с окнами чувствительности детекторов на LHC. Но в отличие от Большого адронного коллайдера, тут в качестве ускорителя выступает сама вселенная, и это может иметь далеко идущие последствия.
| Субдетекторы и подсистемы AMS-02 (). |
Так же, как и классические наземные (точнее, подземные) детекторы, он содержит сразу несколько отдельных детектирующих систем, измеряющих разные характеристики частиц. Только в отличие от них, AMS-02 не вглядывается «вовнутрь», а «смотрит наружу»; он похож скорее на один сегмент передового современного детектора.
Кратко устройство описано на сайте эксперимента. Тут есть и трековые детекторы , восстанавливающие траекторию, черенковские детекторы, измеряющие скорость частиц, электромагнитные калориметры , измеряющие энергию частиц, и другие системы. Разделять разные заряды будут сразу два разных магнита (это я наврал). Разделять заряды будет постоянный магнит на 0,125 Тесла из неодимового сплава. И вдобавок, у AMS-02 есть нечто, чего нет у подземных детекторов — GPS датчики и система слежения за звездами:)
Строилось это всё 10 лет, стоимость — порядка 1,5 гигадолларов. В коллаборации AMS числятся 56 институтов из 16 стран.
Главное, чтоб сейчас эта штука удачно улетела. Завтра вечером будем следить за запуском!
Первая статья из обещанного цикла про то, чем я занимаюсь. В отличии от статей на историческую тематику, источников здесь проставлять не буду. Очень сомневаюсь, что кто-то захочет проверять мои слова по специальной литературе, в особенности, англоязычной.
Claus Grupen. Particle Detectors (Переведен на русский, гуглите; наш основной учебник) К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика» (В чем-то устарел, но написано хорошо)
При написании этого цикла статей, исхожу из того, что читатель знает физику в объеме несколько большем, чем школьная программа. Например, институтский курс механики. Я честно старался сделать его максимально популярным, но кое-что знать все же надо.
Какие частицы регистрируются в детекторах
Здесь должны были быть несколько вводных слов про то, что все вещества состоят из атомов, а где-то в этих атомах скрываются элементарные частицы, и они такие маленькие, что, чтобы вытащить их оттуда, нужно строить большие установки. Таких слов здесь не будет, потому что это более-менее общеизвестная информация, которую учат в школе. Разных элементарных частиц очень много, они бывают составные и простые, то есть, фундаментальные.
Возможно, читатель в курсе, что такое кварки, лептоны и фундаментальные бозоны. Если нет, перед чтением можно просветиться . Но не обязательно. Потому что наблюдать в детекторах мы можем только те частицы, которые успевают долететь до них за время жизни. Из фундаментальных это: электрон, мюон, фотон, нейтрино
. Гравитоны, по идее, тоже долетают, но поиск гравитационных волн - отдельная песня и не по нашей части. Можно наблюдать также составные частицы, сложенные из нескольких кварков. В приведенной таблице, составные частицы можно найти в разделах "мезоны" и "барионы". Мезон - связанное состояние двух кварков, барион - трех. Сюда не включены короткоживущие частицы, назвываемые резонансами: полное их перечисление заняло бы слишком много места.
Частицы, которые мы регистрируем в детекторах, могут иметь очень разные скорости, но, ясное дело, не больше скорости света. Двигаясь с околосветовой скоростью, частица может пролететь расстояние порядка 10^8 метров за секунду. Или, наоборот, несколько метров за 10^-8 секунд. Частица, время жизни которой составляет 10^-10 секунд, родившаяся в ускорителе, в точке взаимодействия пучков, не успеет пролететь те метры, которые отделяют ее от детектора, даже с учетом релятивистского замедления времени. Поэтому, из всех адронов практический интерес представляет только регистрация протонов, пионов (заряженных), каонов и нейтронов . Остальную картину событий следует восстанавливать уже по ним.
Калориметрия
Хотя первое, что вы слышали о физике элементарных частиц, скорее всего, связано с LHC, экспериментами с протонными пучками высоких энергий эта физика отнюдь не исчерпывается. Еще есть эксперименты с пучками электронов, есть нейтринные обсерватории. Но наиболее впечатляющая картинка - это как раз столкновение протонных пучков. В каждом пучке дофига (точное число зависит от установки) протонов, в каждом протоне три кварка, при столкновении они оказываются очень близко и мы можем видеть такую картину.
Ну, то есть, это реконструкция события. Каждая линия - это трек, траектория, по которой что-то двигалось. Распутать этот клубок - задача отдельная, но для начала его нужно хотя-бы просто видеть. Ведь, конечно же, никакой микроскоп не поможет человеческому глазу различить частицу размером 10^-13 метра, летящую с околосветовой скоростью. Но попадание такой частицы в свинцовую пластину, или хотя-бы просто слой воздуха при атмосферном давлении, вызывает последствия, которые мы уже можем наблюдать.
Попадая в слой вещества, частица будет отдавать энергию в результате различных процессов. Можно измерить энергию частицы, уловив ее достаточно толстым слоем. Детекторы, в которых это происходит, называются калориметрами. По специализации калориметры делятся на электромагнитные и адронные, по устройству - на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный калориметр - просто слой вещества. Гетерогенный (сэмплинг-калориметр) состоит из нескольких слоев, среди которых есть поглощающие и регистрирующие. Калориметр может использовать не только твердое тело, но и жидкость, и даже газ. То есть, слой может вообще не быть пластиной. Давайте разберемся, что происходит в калориметре.
Потери на ионизацию
Самый простой процесс, касающийся всех заряженных частиц, - ионизация. При ионизации, налетающая частица передает электрону атома вещества часть своей энергии, достаточную, чтобы он тоже покинул атом. Получатся уже две частицы, каждая из которых, в свою очередь, может вызвать ионизацию. При этом, максимальная энергия, которую можно передать электрону в атоме, ограничена законами сохранения.
Речь идет только о кинетической энергии, ведь электрон в атоме уже существует, и на его рождение энергия не расходуется. Здесь E - полная энергия налетающей частицы, р - ее импульс, m - масса. Остальное - бета- и гамма- факторы налетающей частицы, масса электрона и скорость света. Таким образом, энергия, которую электрону может передать налетающая частица, тем меньше, чем меньше ее масса. При этом, чем больше энергия, тем меньше разница, и в ультрарелятивистском случае электрону можно передать всю энергию. Особую роль играют налетающие электроны, для которых формула упрощается, переходя в классическую формулу для центрального столкновения частиц равной масы. Максимальная передаваемая кинетическая энергия входит в приближенную формулу Бете-Блоха, которой описываются потери частиц на ионизацию.
К составлена из констант. Икс обозначает длину, домноженную на плотность. Z и А - это зарядовое и атомное числа, I - средняя энергия ионизации. Эти параметры характеризуют конкретное вещество. Зависимость от энергии налетающей частицы задается неявно бета- и гамма- факторами. Бета-фактор - это скорость частицы в единицах скорости света. Гамма-фактор - он же лоренц-фактор - известный множитель из релятивистской кинематики. При росте энергии частицы, бета-фактор стремится к единице, а гамма-фактор - к бесконечности. В области, где бета-фактор существенно отличается от единицы, гамма-фактор мал. Пока скорость далека от световой, обратная пропорциональность квадрату скорости определяет поведение функции потерь энергии. Это можно понимать так, что быстрая частица проводит меньше времени в кулоновском поле ядра, и ее сложнее захватить. Когда скорость приближается к световой, бета-фактор почти не меняется, а гамма-фактор быстро растет, и определяющим становится логарифмический член. То есть, возрастание сечения взаимодействия для более энергичных частиц. Получается как-то так.
На этой картинке можно видеть, что дает формула Бете-Блоха для различных веществ и частиц. Действительно, если параметры вещества входят в разных местах, то масса частицы - только в одном. Поэтому ось, по которой отложено произведение бета- и гамма- факторов, то есть, приведенный импульс, можно просто сдвигать. При этом, чем тяжелее частица, тем сильнее придется ее сдвинуть, а шкала логарифмическая. То есть, с ростом энергии, минимум ионизации для мюонов наступает гораздо быстрее, чем для электронов. Для протонов, вроде бы, не быстрее. Только вот протон сам по себе в две тысячи раз тяжелее электрона и почти в десять раз тяжелее мюона, так что в абсолютных величинах импульса шкала будет сдвинута так же, как и с мюоном или пионом.
Тормозное излучение
Потери на ионизацию доминируют для частиц низкой энергии. Это упругие взаимодействия, в результате которых никаких новых частиц не рождается. Однако, взаимодействие быстрой заряженной частицы с кулоновским полем ядра может порождать фотоны. Процесс называется тормозным излучением. Фотон уносит энергию и сам может взаимодействовать с веществом. Потери энергии на тормозное излучение задаются выражением:
Z, A - то же, что и выше; z,m, Е - заряд, масса и энергия налетающей частицы. Потери на тормозное излучение линейно зависят от Е, в силу чего, доминируют при высоких энергиях. Но численно они обратно пропорциональны квадрату массы налетающей частицы. Вспомним еще раз, что мюон и пион на два порядка тяжелее электрона, а протон - на три. Что дает, соответственно, четыре и шесть порядков разницы. Поэтому как ионизация, так и тормозное излучнение, хорошо работают для электрона, который при прохождении через вещество порождает настоящие ливни частиц: фотонов и электронов. Чтобы эффективно детектировать массивные частицы, приходится искать другие способы. Пион и протон участвуют в сильных взаимодействиях, а вот с мюоном такой номер не проходит. Остается увеличить установку во много раз.
Сектор детектора CMS , чтобы оценить масштаб проблемы. Зеленого слоя достаточно, чтобы свою энергию потеряли электроны. Желтого хватит для адронов. Все, что дальше - мюонная система.
Фотоны и электромагнитные ливни
Фотон - квант света. Свет тот же, что видим человеческим глазом, только энергии (и частоты) другие. Фотон таких энергий при попадании в глаз запустит много нехороших процессов. Основные из них:
- Фотоэлектрический эффект - испускание электронов атомами глаза. Доминирует при низких энергиях.
- Комптон-эффект - упругое рассеивание фотона на электронах, входящих в состав атомов глаза. Доминирует при средних энергиях.
- Прямое рождение электрон-позитронных пар в кулоновском поле атома глаза. Доминирует при высоких энергиях.
Принцип таков
Это продолжается вот так
И оставляет вот такие красивые следы
В общем, глаз, засунутый в ускоритель, не только гамма-кванта не увидит, но, скорее всего, больше ничего никогда не увидит. Конкретный фотон взаимодействует только два раза в жизни: при рождении и поглощении. Но выйти из ливня, не породив новых частиц, он может только если его энергии недостаточно даже для фотоэффекта. Тогда фотон поглотится электроном атома, переведя его в возбужденное состояние. В простейшей модели ливня, где на каждом следующем шаге получаются две частицы, каждый шаг уменьшает среднюю энергию частицы вдвое. Соответственно, десять шагов уменьшат ее на три порядка. Энергии переходов с одной орбиты на другую - несколько эВ. Энергия первоначального фотона (или электрона) может составлять несколько МэВ и даже ГэВ. То есть, чтобы ливень начал затухать, должно пройти двадцать-тридцать шагов, а в особо запущенных (в смысле, мощную установку запустили) случаях - еще больше.
Характерный размер одного шага задается радиационной длиной - средней длиной на которой электрон теряет (1-1/e) своей энергии на тормозное излучение или 7/9 средней длины свободного пробега фотона между рождениями пар. Радиационная длина измеряется в тех же единицах, что и икс в формулах потерь на ионизацию и тормозное излучение. Чтобы перевести ее в привычные сантиметры, нужно поделить на плотность. Электромагнитный ливень может развиваться на десятки радиационных длин. Радиационная длина, обычно, исчисляется в десятках грамм на сантиметр квадратный. В пересчете на сантиметры, результат может быть очень разным, потому что плотности у веществ разные. Так электромагнитный ливень в атмосфере может развиваться на многих километрах, а толщина пластинки из свинца, достаточной для точной калориметрии МэВ-ных электронов, не превысит нескольких десятков сантиметров.
Естественно, радиационная длина, вычисленная для мюона, протона или пиона, была бы другой из-за разницы в массе. На практике, это означало бы, что тот же свинцовый калориметр толщиной 10 см (около 20-ти рад.длин) пион пролетал бы, не заметив. В то время как электрон неизбежно породил бы ливень, который успел бы развиться и затухнуть. Таким образом, калориметры для тяжелых частиц нужно строить гораздо больше.
Адронные ливни
Протоны и пионы удается поймать за счет того, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Если электромагнитное взаимодействие происходило в кулоновском поле атома, сильное происходит в поле ядерных сил. Большинство происходящих там процессов неупругие, то есть, исходная частица поглощается, рождая несколько других. Однако, есть и процессы упругого рассеяния.
При этом могут рождаться не только адроны, но также фотоны и электроны, которые породят электромагнитные ливни. Могут вылетать частицы, состоящие из нескольких адронов, например, всем известная альфа-частица, ядро гелия. Примерно одна пятая часть энергии налетающей частицы уходит в "невидимую" энергию ядерных связей, которая не регистрируется в калориметре.
Схема адронного каскада в поглотителе. Видны электромагнитные ливни, порожденные пи0-мезонами
Размер адронного ливеня характеризуется ядерной длиной, которая, для тяжелых атомов, на порядок больше радиационной. Это печально, но альтернатива - четыре-шесть порядков разницы в потерях на тормозное излучение. Поэтому энергия частиц, участвующих в сильном взаимодействии, измеряется таким способом. Точная калориметрия адронов затруднена большими флуктуациями в развитии ливня. Приходится изобретать специальные процедуры взвешивания, чтобы решить эту проблему. Тем не менее, энергетическое разрешение лучших адронных калориметров не превышает 35%, деленных на корень из энергии. Что на порядок хуже типичных значений для электромагнитных калориметров.
В русскоязычной научной и учебной литературе известно очень мало изданий по тематике этой книги, и они уже давно стали библиографической редкостью.
Данное издание выгодно отличает полнота изложения принципов работы детекторных систем, систематичность описания их технического устройства и практической реализации, а также обсуждение области их применения.
Книга содержит обширную библиографию (более 600 ссылок на книжные издания и оригинальные статьи в современных физических журналах) и глоссарий, включающий сжатую информацию об области применения, достоинствах и недостатках каждого из рассмотренных типов детекторов.
Это прекрасное учебное и справочное руководство для всех, кто применяет детекторы излучений и элементарных частиц в своей практической деятельности.
Взаимодействие частиц и излучения с веществом.
Частицы и излучение не могут быть зарегистрированы непосредственно, а лишь через их взаимодействие с веществом. Взаимодействия заряженных частиц, вообще говоря, отличаются от взаимодействий нейтральных частиц, например, фотонов. Каждый процесс взаимодействия может быть основой для некоторого вида детектирования. Существует множество различных типов взаимодействий и, как следствие, большое количество детекторов частиц и излучения. Кроме того, для одной и той же частицы при разных энергиях существенную роль могут играть разные типы взаимодействия.
В этой главе будут подробно рассмотрены основные механизмы взаимодействия частиц с веществом. Некоторые эффекты будут упомянуты при описании конкретных типов детекторов. Мы не будем выводить выражения для сечений из первых принципов, а приведем лишь окончательные результаты в том виде, в котором они применяются для детекторов частиц.
Содержание
Предисловие редакторов перевода Предисловие к русскому изданию Предисловие автора Вступление
1 Взаимодействие частиц и излучения с веществом
1.1 Взаимодействие заряженных частиц с веществом
1.1.1 Потери энергии на ионизацию и возбуждение
1.1.2 Удельная ионизация
1.1.3 Многократное рассеяние
1.1.4 Тормозное излучение
1.1.5 Прямое рождение электрон-позитронных пар
1.1.6 Потери энергии на фотоядерные взаимодействия
1.1.7 Полные потери энергии
1.1.8 Соотношение пробег-энергия для заряженных частиц
1.2 Взаимодействие фотонов
1.2.1 Фотоэффект
1.2.2 Комптон-эффект
1.2.3 Рождение пар
1.2.4 Полное сечение поглощения фотонов
1.3 Сильное взаимодействие адронов
1.4 Дрейф и диффузия в газах
2 Основные характеристики детекторов частиц
3 Единицы измерения излучения
4 Детекторы для ионизационных и трековых измерений
4.1 Ионизационные камеры
4.2 Пропорциональные счетчики
4.3 Счетчики Гейгера
4.4 Стримерные трубки
4.5 Регистрация частиц в жидкостях
4.6 Многопроволочные пропорциональные камеры
4.7 Плоские дрейфовые камеры
4.8 Цилиндрические проволочные камеры
4.8.1 Цилиндрические пропорциональные и дрейфовые камеры
4.8.2 Струйные дрейфовые камеры
4.8.3 Времяпроекционные камеры (ВПК)
4.9 Времяпроекционные камеры с оптическим съемом
4.10 Эффекты старения в проволочных камерах
4.11 Пузырьковые камеры
4.12 Камеры Вильсона
4.13 Стримерные камеры
4.14 Камеры на разрядных трубках
4.15 Искровые камеры
4.16 Ядерные эмульсии
4.17 Кристаллы галоидного серебра
4.18 Рентгеновские пленки
4.19 Термолюминесцентные детекторы
4.20 Радиофотолюминесцентные детекторы
4.21 Пластиковые детекторы
4.22 Сравнение детекторов для ионизационных и трековых измерений
5 Временные измерения
5.1 Фотоумножители
5.2 Сцинтилляционные счетчики
5.3 Плоские искровые счетчики
6 Идентификация частиц
6.1 Нейтронные счетчики
6.2 Детекторы нейтрино
6.3 Счетчики времени пролета
6.4 Черенковские счетчики
6.5 Детекторы переходного излучения (ДПИ)
6.6 Разделение по энергетическим потерям
6.7 Сравнение методов идентификации частиц
7 Измерение энергии
7.1 Твердотельные детекторы
7.2 Калориметры электронов и фотонов
7.3 Адронные калориметры
7.4 Идентификация частиц в калориметрах
7.5 Калибровка и мониторирование калориметров
7.6 Криогенные калориметры
8 Измерение импульса
8.1 Магнитные спектрометры для экспериментов с фиксированной мишенью
8.2 Магнитные спектрометры для специальных приложений
9 Электроника
10 Обработка информации
Приложение А: таблица фундаментальных физических констант
Приложение Б: определение физических величин и их единицы
Список литературы
Алфавитный указатель.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Детекторы элементарных частиц, Справочное издание, Групен К., 1999 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Счетчик Гейгера.
Сцинтилляционный счетчик.
Полупроводниковый детектор. В кристалле полупроводника частица создает дополнительные заряды - электронно-дырочные пары. Под действием приложенного напряжения они перемещаются к электродам детектора, создавая во внешней цепи электрический импульс.
Стриповый детектор. Матрица из взаимно-перпендикулярных полосок кремния позволяет с высокой точностью измерять координаты частицы.
Черенковские счетчики нейтринного детектора (Лос- Аламос, США).
Сотрудники МИФИ за сборкой детектора переходного излучения (TRD) для установки ATLAS (Церн, Женева).
Камера Вильсона.
Пузырьковая камера.
Фотография столкновения ионов серы и золота в стримерной (разновидность искровой) камере. Треки рожденных при столкновении заряженных частиц в ней выглядят как цепочки отдельных несливающихся разрядов - стримеров.
Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона.
Принцип работы первой камеры Вильсона.
Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS.
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. За электроном, обнаруженным в потоке лучей разрядной трубки, вскоре были открыты протон (ядро атома водорода), a-частица (ядро атома гелия), ядра других элементов и целая плеяда элементарных частиц, от сравнительно легких мезонов до тяжелых гиперонов и еще более массивных частиц, в состав которых входят тяжелые кварки (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).
Прямая регистрация нейтральных частиц невозможна: они вещество не ионизуют и дают знать о себе только в ходе взаимодействий с образованием заряженных частиц, которые их «засвечивают». Так был открыт нейтрон (по протонам отдачи), гамма-квант (по электрон-позитронным парам) и многие другие «нейтралы».
Приборы, «улавливающие» частицы, делятся на две группы – счетчики и камеры.
Счетчики фиксируют факт прохождения частицы, определяя момент времени (иногда с высокой, до наносекунд, 10-9 c, точностью), величину теряемой энергии, а если из них составить «телескоп», связанный электронной схемой совпадений, то и направление прилета частицы. Хорошо известны газоразрядный счетчик Гейгера, верой и правдой прослуживший в физике полсотни лет; пропорциональный счетчик, сигнал которого служит мерой ионизационных потерь частицы; семейство сцинтилляционных счетчиков. В неорганических сцинтилляторах (кристаллы NaI, CsI и др.), их органических (антрацен и др.) и пластических (полистирол и др.) аналогах под действием заряженных частиц возникают вспышки люминесценции. Это слабое свечение в миллионы раз усиливают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Сцинтилляционные счетчики появились в середине прошлого века и успешно используются по сегодняшний день.
Полупроводниковые счетчики, сигнал которых образуют пары электрон-дырка в слое полупроводника, по чувствительности превосходят сцинтилляторы. Лучшие из них - кристаллы германия, активированные литием, (Ge(Li), - измеряют энергию частицы с точностью 0,1%, но имеют ограниченный размер и требуют глубокого охлаждения. Стриповые детекторы, получившие широкое применение в последние годы, - это разновидность полупроводниковых счетчиков в виде узких полос кремния на твердой подложке. Их взаимно-перпендикулярные слои позволяют измерять координаты частиц с точностью до десятка микрон.
Ионизационная камера, один из самых древних детекторов, это, по сути дела, счетчик, который измеряет полный заряд, созданный частицей в результате ионизации. Различные ее модификации (газовые, жидкостные) до сих пор применяются для измерения энергии частиц и их пучков, особенно часто в дозиметрии. Ксеноновая камера высокого давления, несколько уступая по энергетическому разрешению кристаллам Ge(Li), не ограничена размерами и не требует охлаждения, что особенно ценно для постановки экспериментов на спутниках.
Еще более чувствительны черенковские счетчики, улавливающие когерентное излучение частицы, движущейся со скоростью большей скорости света в среде. Их последнее достижение – так называемые RICH-детекторы (ring imajing Cherenkov), «видящие» не отдельные фотоны, а все кольцо черенковского света, что позволяет измерить многие свойства регистрируемой частицы. К этому классу детекторов относятся и TRD-детекторы (transition radiation detector), счетчики переходного излучения, возникающего при пересечении заряженной частицей границы двух сред. Они выделяют ультрарелятивистские частицы (скорость которых очень близка к скорости света) в огромном потоке частиц и все шире применяются на ускорителях высоких энергий.
Ансамбль счетчиков, размещенный в потоке регистрируемых частиц, образует так называемую годоскопическую установку, которая позволяет проследить путь каждой отдельной частицы, а помещенная в магнитное поле - измерить ее импульс и знак заряда. Счетчики прослаиваются калориметрами - устройствами, измеряющими энергии частиц по образованному ими ливню электронов, позитронов, фотонов в веществе. Счетчики, включенные в «систему времени пролета», измеряют скорость частицы. Современные установки на ускорителях, насчитывающие тысячи счетчиков, дают пространственную картину события - рождения множества вторичных частиц, их распадов и взаимодействий, возникающих при попадании ускоренной частицы в мишень.
Камеры, или трековые детекторы, – это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами. Первым трековым детектором была широко известная камера Вильсона (в иностранной литературе - «туманная камера»). Принцип ее действия заключается в образовании капелек тумана на ионизационном следе частицы в переохлажденном паре после резкого сброса давления. Камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, стала одним из главных физических приборов начала прошлого столетия; эксперименты с нею привели ко многим фундаментальным открытиям.
Позднее роль лидера измерительной техники перешла к пузырьковой камере, в которой треки частиц создавали микроскопические пузырьки газа в перегретой жидкости. Пузырьковые камеры, особенно наполненные жидким водородом (протонные мишени), способствовали получению выдающихся результатов в ускорительных экспериментах. Известная жидководородная камера Мирабель (самая большая в мире) работала на многих ускорителях, в том числе на синхрофазотроне ИФВЭ (Протвино). Недостатки термодинамических камер (Вильсона, пузырьковой) – малое быстродействие и невозможность автоматизации данных, что стало заметным препятствием после введения в эксперимент компьютера как управляющего и обрабатывающего центра.
Особое место занимает фотоэмульсионная камера (развитие метода ядерной фотоэмульсии) – рекорд-смен по точности измерения координат (до 1 микрона), но совершенно не приспособленная для работы со счетчиками и компьютером. Данные с нее приходится обрабатывать вручную.
На смену ей пришли электроразрядные устройства, резко повысившие эффективность использования ускорительных пучков (за счет быстродействия и возможности «стыковки» со счетчиками частиц): искровые и их разновидность - стримерные камеры. Искры и стримеры – цепочки отдельных разрядов - с высокой точностью следуют по ионизационному следу, даже имеющему форму дуги при движении частицы в магнитном поле. Различные виды искровых и стримерных камер участвовали в важных экспериментах, но все же более универсальным и гибким средством, отвечающим современным требованиям, оказались многопроволочные камеры – пропорциональные, дрейфовые и других модификаций.
Регистрация нейтральных частиц осуществляется теми же методами, что и заряженных (счетчики + камеры), только с учетом того, что прежде они должны создать заряженные частицы.
Особое место занимают детекторы нейтрино - частиц, не участвующих ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, их поток может проходить слой свинца в тысячи астрономических единиц. Вероятность их взаимодействия с веществом на много порядков меньше, чем у заряженных частиц. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Чтобы снизить фон от посторонних заряженных частиц, нейтринные детекторы располагают под большими толщами вещества (подземные и подводные установки). Широкую известность получили детекторы солнечных нейтрино – Homestake (хлор-аргонный детектор Дэвиса, США), Kamiokande (Япония), а также российские – галлий-германиевый детектор в Баксане и установка «Байкал» в прозрачных водах знаменитого озера (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).
Иллюстрация "Счетчик Гейгера".
В стеклянную трубку, заполненную газом при давлении 100–200 мм рт. ст., помещены два электрода – анод в виде тонкой нити и цилиндрический катод на стенке трубки, к которым приложено постоянное напряжение в несколько сотен вольт. При попадании в трубку заряженной частицы газ ионизуется. Свободные электроны движутся с ускорением к аноду, производя вторичную ионизацию газа. Возникает разряд, вызывающий появление электрического импульса.
Иллюстрация "Сцинтилляционный счетчик".
При попадании заряженной частицы в сцинтиллятор (кристалл, кювету с жидкостью или слой пластика) в нем возникает слабая вспышка люминесценции. Ее свет через световод поступает в фотоэлектронный умножитель, вырабатывающий электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна потере энергии налетающей частицы.
Иллюстрация "Черенковские счетчики нейтринного детектора (Лос- Аламос, США)".
В емкость заливается 167 тонн минерального масла с примесью сцинтиллятора. При взаимодействии нейтрино с атомами вещества образуются электроны высокой энергии, скорость которых больше скорости света в среде. При их движении возникает свечение, распространяющееся в виде конуса. Его регистрируют 1220 фотоумножителей на стенках емкости.
Иллюстрация "Камера Вильсона".
Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.
Иллюстрация "Пузырьковая камера".
Емкость заполнена хорошо очищенной жидкостью. Центры образования пара в жидкости отсутствуют, поэтому ее можно перегреть выше точки кипения. Но проходящая частица оставляет за собой ионизованный след, вдоль которого жидкость вскипает, отмечая траекторию цепочкой пузырьков. В современных камерах используются жидкие газы – пропан, гелий, водород, ксенон, неон и др. На снимке: пузырьковая камера, сконструированная в ФИАНе. 1955–1956 годы.
Иллюстрация "Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона".
Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона - был создан 19 апреля 1911 года. Камера представляла собой стеклянный цилиндр диаметром 16,5 см и высотой 3,5 см. Сверху цилиндр закрывался приклеенным зеркальным стеклом, через которое фотографировали следы частиц. Внутри находился второй цилиндр, в нем – деревянное кольцо, опущенное в воду. Испаряясь с поверхности кольца, она насыщала камеру водяными парами. Вакуумный насос создавал разрежение в шаровидной емкости, соединенной с камерой трубкой с вентилем. При открывании вентиля в камере создавалось разрежение, водяные пары становились пересыщенными, и на следах заряженных частиц происходила их конденсация в виде полосок тумана (именно поэтому в зарубежной литературе прибор называется the cloud chamber – «туманная камера»).
Иллюстрация "Принцип работы первой камеры Вильсона".
На нитке 1 подвешены шарики 2 и 3. Нитку пережигали, одновременно открывая вентиль 4. Шарики, падая, замыкали последовательно контакты 5 и 6, подключенные к источникам высокого напряжения – батареям лейденских банок. Включалась рентгеновская трубка 7, ионизирующая своим излучением газ в камере, и спустя сотые доли секунды в разряднике 8 возникала искра, освещающая треки. Их снимал фотоаппарат 9. Так без малого сто лет назад начались исследования микромира.
Иллюстрация "Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS".
Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS, созданная для работы на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), который строится в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. 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 до 100 микрон, должны работать синхронно в условиях сильных полей и потоков фотонов и нейтронов плотностью 107 см2/с многие годы. ATLAS регистрирует все частицы, приходящие в детектор под любыми углами, одновременно фиксируя их характеристики. Основа всей установки - детектор переходного излучения, предназначенный для регистрации следов ультрарелятивистских частиц и их классификации по рентгеновскому излучению, возникающему при их переходе границы двух сред (здесь - воздух-полипропилен), явлению, открытому в 1950-х годах В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком. Детектор состоит из 400 тысяч трубок диаметром 4 мм и с четырехслойными стенками толщиной 28 мк. По принципу работы они напоминают счетчик Гейгера: трубка наполнена газовой смесью, по ее оси проходит тонкая проволока под напряжением +1500 В. Частица ионизует газ, электрон дрейфует к проволоке (аноду). Возникший сигнал считывает быстродействующая аппаратура, фиксирующая время прихода и координату с точностью около 1 нс и 100 мк. Весь детектор занимает объем несколько кубических метров и позволяет регистрировать и распознавать «сорта» примерно 10 млрд частиц ежесекундно.