Elementaarosakeste tuvastamise füüsikalised põhimõtted. Vaadake, mis on "Elementaarosakeste detektor" teistes sõnaraamatutes
Detektor elementaarosakesed
CMS-detektor, üks näide suurte osakeste detektorist.
Osakeste detektor, detektor ioniseeriv kiirgus eksperimentaalses osakeste füüsikas seade, mis on ette nähtud suure energiaga elementaarosakeste, näiteks kosmiliste kiirte või tuumalagunemisel või kiirendites tekkivate osakeste parameetrite tuvastamiseks ja mõõtmiseks.
Peamised tüübid
Töötavate või ehitatavate detektorite loend kokkupõrkekiirte kiirendite jaoks
- LHC põrkur (CERN) detektorid
- Tevatroni põrkuri detektorid
- Elektron-positroni põrkajate detektorid
- Belle (KEKB põrkur, KEK)
- BES (BEPC põrkur, Peking)
- CLEO (CESR põrkur)
- KEDR (kokkupõrge VEPP-4, Novosibirsk)
- KMD, SND (põrgetaja VEPP-2M, VEPP-2000, Novosibirsk)
Rakendus
Lisaks teaduslikele katsetele kasutatakse elementaarosakeste detektoreid ka rakendusülesannetes - meditsiinis (madala kiirgusdoosiga röntgeniaparaadid, tomograafid, kiiritusravi), materjaliteaduses (vigade tuvastamine), reisijate lennueelsel kontrollil. ja pagas lennujaamades.
Kirjandus
- K. Rühm. Elementaarosakeste detektorid. Novosibirsk Siberi kronograaf, 1999.
- B. S. Iškhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin, Veebiväljaanne õpiku B. S. Iškhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin ainetel. “Osakesed ja tuumad. Eksperiment”, M.: MSU kirjastus, 2005.
- Grupen, C. (28. juuni – 10. juuli 1999). "Osakeste tuvastamise füüsika". AIP konverentsi materjalid, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536 : 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI:10.1063/1.1361756.
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
- Kõrge puhtusastmega germaaniumidetektor
- Detelina
Vaadake, mis on "elementaarosakeste detektor" teistes sõnaraamatutes:
Osakeste detektorid- CMS-detektor, üks näide suurte osakeste detektorist. Osakeste detektor, ioniseeriva kiirguse detektor eksperimentaalses osakeste füüsikas, seade, mis on loodud tuvastama ja mõõtma... ... Wikipedia
Osakeste kiirendi- Vaade Fermilabi kiirendikeskusele, USA. Tevatron (ring taustal) ja rõngaspihusti. Laetud osakeste kiirendi on seadmete klass kõrge energiaga laetud osakeste (elementaarosakesed, ioonid) tootmiseks. Kaasaegsed kiirendid, ... ... Vikipeedia
Kalorimeeter (osakeste füüsika)- Mitte segi ajada kolorimeetriga. seade värvi mõõtmiseks. Mitte segi ajada kalorimeetriga. termofüüsikas soojuse mõõtmise seade. Kalorimeeter (ladina keelest kalorisoojus ja ... meeter) osakeste füüsikas ja tuumafüüsikas seade, mis ... ... Wikipedia
Detektorid (seadmed elementaarosakeste salvestamiseks)- Detektorid (seadmed registreerimiseks) Osakeste detektorid, seadmed elementaarosakeste, tuumade ja g-kvantide registreerimiseks. Detektori töö põhineb aine aatomite ioniseerimisel ja ergastusel. On olemas diskreetsed osakeste loendamise detektorid ... ... Illustreeritud entsüklopeediline sõnaraamat
Detektor- Tehakse ettepanek nimetada see leht ümber detektoriks (täpsustus). Põhjuste selgitus ja arutelu Vikipeedia lehel: Nimetada ümber / 15. märts 2012. Võib-olla ei vasta selle praegune nimi tänapäeva vene keele normidele ja/või ... ... Vikipeedia
Üleminekukiirguse detektor- (DPI), Transition Radiation Detector (TRD) on kiirelt laetud osakeste detektor, mis registreerib relativistliku osakese kiirgava siirdekiirguse, kui see läbib erinevate dielektriliste konstantidega kandjate vahelist liidest ... Wikipedia
Kõrge puhtusastmega germaaniumidetektor- See leht vajab märkimisväärset läbivaatamist. Võimalik, et seda tuleb vikistada, laiendada või ümber kirjutada. Põhjuste seletus ja arutelu Vikipeedia lehel: Täiendamiseks / 26. august 2012. Täiuse seadmise kuupäev 26. august 2012. ... ... Vikipeedia
ANDUR- (1) instrument või seade elementaar- ja (vt) osakeste (prootonid, neutronid, elektronid, mesonid, kvargid jne) registreerimiseks, aatomi tuumad(alfaosakesed jne), röntgen- ja gamma-kvandid, samuti soojuskiirguse tuvastamiseks.… … Suur polütehniline entsüklopeedia
Tšerenkovi detektor- Tšerenkovi detektor ehk Tšerenkovi kiirgusdetektor, elementaarosakeste detektor, mis kasutab Tšerenkovi kiirguse tuvastamist, mis võimaldab kaudselt määrata osakeste massi või eraldada kergemaid osakesi (andes ... ... Wikipedia
Sfääriline neutraalne detektor- (lühendatult SND) elementaarosakeste detektor. Töötas INP VEPP 2M elektronpositronpõrgutis. Budkera Novosibirskis. Pärast moderniseerimist töötab detektor uue põrkega VEPP 2000. Sisu 1 Detektori ajalugu ... Wikipedia
29. aprillil hilisõhtul (praegu edasi lükatud) saadab NASA orbiidile osakestedetektori Cern AMS-02. Selle detektori ehitamiseks kulus 10 aastat, selle vanemad “vennad” on juba suure hadronipõrgutaja juures ehk maa all kõvasti tööd teinud ja see lendab kosmosesse! :)
Siin on Cernovo pressiteade, stardist tehakse veebiülekanne algusega kell 21.30 Kesk-Euroopa aja järgi, CERNi Twitter edastab ka aruandeid. Käivitamist ja kõiki järgnevaid töid saab jälgida katse veebisaidil. Vahepeal räägin teile lühidalt seadmest ja teaduslikud probleemid.
AMS-02 on tõeline osakeste detektor koos (peaaegu) kõigi selle atribuutidega. Selle suurus on 4 meetrit, kaal 8,5 tonni. Muidugi ei saa seda võrrelda sellise kolossiga nagu ATLAS, kuid seda on kosmosesse saatmiseks (ja ISS-ile paigaldamiseks) üsna palju.
Kui maa-alused detektorid registreerivad prootonite ja muude osakeste inimtegevusest tingitud kokkupõrgete käigus sündinud osakesi, siis AMS-02 registreerib kosmilisi kiiri - väga suure energiaga osakesi, mis saabuvad meile süvakosmosest ja mida kiirendavad “looduslikud kiirendid”. Kosmilisi kiiri on muidugi uuritud pikka aega, peaaegu sajand, kuid nendega seostatakse endiselt palju saladusi.
Uue detektori kõige olulisem ülesanne on kõrge täpsus mõõta kosmiliste kiirte koostist. Kui suur on antiaine osakaal kosmilistes kiirtes? Kuidas see energiaga muutub? Kas seal on väikestes kogustes uusi raskeid stabiilseid osakesi (osakesi)? tumeaine), mida põrkurites toota ei saa, kuid mida universum suutis toota? Või äkki viitavad mõned peened tunnused tavaliste osakeste energiaspektris, et need tekkisid senitundmatute üliraskete osakeste lagunemise käigus?
AMS-02 uurib neid küsimusi, registreerides kosmilise kiirguse osakeste läbimise detektori materjalist ning mõõtes nende hoogu, kiirust, energia vabanemist ja laengut. Osakeste energia detektori optimaalse tundlikkuse “aken” on ligikaudu 1 GeV kuni mitu TeV. See aken katab paljude mudelite ennustused ja kattub ka LHC detektorite tundlikkuse akendega. Kuid erinevalt suurest hadronite põrkajast toimib siin universum ise kiirendajana ja sellel võivad olla kaugeleulatuvad tagajärjed.
| Alamdetektorid ja alamsüsteemid AMS-02 (). |
Nii nagu klassikalised maapealsed (täpsemalt maa-alused) detektorid, sisaldab see mitmeid eraldiseisvaid tuvastussüsteeme, mis mõõdavad osakeste erinevaid omadusi. Ainult erinevalt neist ei vaata AMS-02 "sissepoole", vaid "vaatab väljapoole"; see näeb rohkem välja nagu üks täiustatud kaasaegse detektori segment.
Seadet kirjeldatakse lühidalt katse veebisaidil. Samuti on olemas rajadetektorid, mis rekonstrueerivad trajektoori, Tšerenkovi detektorid, mis mõõdavad osakeste kiirust, elektromagnetilised kalorimeetrid, mis mõõdavad osakeste energiat ja muud süsteemid. Kaks erinevat magnetit eraldavad korraga erinevad laengud (ma valetasin). Laenguid eraldab 0,125 Tesla neodüümisulamist valmistatud püsimagnet. Ja lisaks on AMS-02-l midagi, mida maa-alustel detektoritel pole - GPS-andurid ja tähejälgimissüsteem :)
Ehitamiseks kulus 10 aastat, maksumus oli umbes 1,5 giga dollarit. AMS-i koostöö hõlmab 56 instituuti 16 riigist.
Peaasi, et see asi nüüd edukalt ära lendab. Homme õhtul vaatame starti!
Lubatud sarja esimene artikkel minu tegemistest. Erinevalt ajalooteemalistest artiklitest ei hakka ma siin allikaid loetlema. Ma kahtlen väga, kas keegi tahab mu sõnu võrrelda erialakirjandusega, eriti inglise keeles.
Claus Grupen. Osakeste detektorid (tõlgitud vene keelde, Google; meie põhiõpik) K.N. Mukhin "Eksperimentaalne tuumafüüsika" (mõnevõrra vananenud, kuid hästi kirjutatud)
Seda artiklite sarja kirjutades eeldan, et lugeja tunneb füüsikat mõnevõrra suuremas mahus kui kooli õppekava. Näiteks mehaanika instituudi kursus. Üritasin ausalt öeldes seda võimalikult populaarseks muuta, kuid siiski on mõned asjad, mida pead teadma.
Millised osakesed registreeritakse detektorites
Siin oleks pidanud mitu olema sissejuhatavad sõnad sellest, et kõik ained koosnevad aatomitest ja kuskil nendes aatomites on peidus elementaarosakesed ja need on nii väikesed, et nende sealt välja saamiseks on vaja ehitada suuri installatsioone. Selliseid sõnu siia ei tule, sest see on enam-vähem üldtuntud info, mida koolis õpetatakse. Erinevaid elementaarosakesi on palju, need võivad olla liit- ja lihtsad, st fundamentaalsed.
Võib-olla on lugeja teadlik sellest, mis on kvargid, leptonid ja fundamentaalsed bosonid. Kui ei, võiksite enne lugemist end valgustada. Aga mitte tingimata. Sest me saame detektorites vaadelda ainult neid osakesi, mis jõuavad nendeni elu jooksul. Põhilised on järgmised: elektron, müüon, footon, neutriino. Teoreetiliselt jõuavad ka gravitonid, kuid gravitatsioonilainete otsimine on omaette teema ja mitte meie valdkond. Samuti võib vaadelda mitmest kvargist koosnevaid liitosakesi. Allolevas tabelis on koostisosad osakesed "mesonid" ja "barüonid". Meson - seotud olek kaks kvarki, barüon - kolm. Lühiealised osakesed, mida nimetatakse resonantsideks, siia ei kuulu: nende täielik loetlemine võtaks liiga palju ruumi.
Osakestel, mida me detektorites tuvastame, võib olla väga palju erinevad kiirused, kuid loomulikult mitte kiiremini kui valguse kiirus. Valguse lähedasel kiirusel liikudes võib osake läbida umbes 10^8 meetrit sekundis. Või vastupidi, mitu meetrit 10^-8 sekundiga. Osakesel, mille eluiga on 10^-10 sekundit ja mis on sündinud kiirendis kiirte vastastikuse mõju punktis, ei ole aega lennata neid meetreid, mis teda detektorist eraldavad, isegi kui arvestada relativistlikku ajadilatatsiooni. Seetõttu pakub kõigist hadronitest praktilist huvi vaid registreerimine prootonid, pionid (laetud), kaoonid ja neutronid. Nendest tuleks rekonstrueerida ülejäänud pilt sündmustest.
Kalorimeetria
Kuigi esimene asi, mida osakeste füüsikast kuulete, on suure tõenäosusega seotud LHC-ga, ei ammenda katsed suure energiaga prootonkiirtega seda füüsikat. Eksperimente tehakse ka elektronkiirtega ja on olemas neutriinoobservatooriumid. Kuid kõige muljetavaldavam pilt on just prootonkiirte kokkupõrge. Igas kiires on palju prootoneid (täpne arv sõltub paigaldusest), igas prootonis on kolm kvarki, kokkupõrkel osutuvad nad väga lähedale ja me näeme sellist pilti.
Noh, see on sündmuse rekonstruktsioon. Iga joon on rada, trajektoor, mida mööda miski liikus. Selle sasipuntra lahtiharutamine on omaette ülesanne, kuid kõigepealt peate seda vähemalt lihtsalt nägema. Loomulikult ei aita ükski mikroskoop inimsilmal eristada valguselähedasel kiirusel lendavat 10^-13 meetri suurust osakest. Aga kui selline osake satub pliiplaadile või siis vähemalt lihtsalt õhukihile atmosfääri rõhk, põhjustab tagajärgi, mida võime juba jälgida.
Kui osake siseneb ainekihti, vabastab see erinevate protsesside tulemusena energiat. Osakese energiat saab mõõta, püüdes selle piisavalt paksu kihi sisse. Detektoreid, milles see juhtub, nimetatakse kalorimeetriteks. Spetsialiseerumise järgi jagunevad kalorimeetrid elektromagnetilisteks ja hadroonilisteks ning disaini järgi homogeenseteks ja heterogeenseteks. Homogeenne kalorimeeter on lihtsalt ainekiht. Heterogeenne (proovikalorimeeter) koosneb mitmest kihist, sealhulgas neelavast ja registreerivast kihist. Kalorimeeter võib kasutada mitte ainult tahkeid aineid, vaid ka vedelikke ja isegi gaase. See tähendab, et kiht ei pruugi olla üldse plaat. Mõelgem välja, mis kalorimeetris toimub.
Ionisatsioonikaod
Lihtsaim protsess, mis mõjutab kõiki laetud osakesi, on ionisatsioon. Ionisatsiooni käigus kannab langev osake osa oma energiast aine aatomi elektronile, millest piisab ka aatomist lahkumiseks. Nüüd on teil kaks osakest, millest igaüks võib omakorda põhjustada ionisatsiooni. Samal ajal on aatomis elektronile ülekantav maksimaalne energia jäävusseadustega piiratud.
Räägime ainult kineetilisest energiast, sest elektron on aatomis juba olemas ja selle sünniks energiat ei kulutata. Siin E on langeva osakese koguenergia, p on selle impulss, m on selle mass. Ülejäänu on langeva osakese beeta- ja gammategurid, elektroni mass ja valguse kiirus. Seega, mida vähem energiat saab langev osake elektronile üle kanda, seda väiksem on selle mass. Veelgi enam, mida suurem on energia, seda väiksem on erinevus ja ultrarelativistlikul juhul saab kogu energia elektronile üle kanda. Erilist rolli mängivad langevad elektronid, mille valem on lihtsustatud, muutudes klassikaliseks võrdse massiga osakeste tsentraalse kokkupõrke valemiks. Maksimaalne ülekantav kineetiline energia sisaldub ligikaudses Bethe-Blochi valemis, mis kirjeldab ionisatsioonist tingitud osakeste kadu. 
K koosneb konstantidest. X tähistab pikkust, mis on korrutatud tihedusega. Z ja A on laeng ja aatomarvud, I on keskmine ionisatsioonienergia. Need parameetrid iseloomustavad konkreetset ainet. Beeta- ja gammategurid annavad kaudselt sõltuvuse langeva osakese energiast. Beeta-tegur on osakese kiirus valguse kiiruse ühikutes. Gamma tegur – tuntud ka kui Lorentzi tegur – on relativistlikust kinemaatikast hästi tuntud tegur. Kui osakeste energia suureneb, kipub beetafaktor ühtlustuma ja gamma-tegur lõpmatuseni. Piirkonnas, kus beetafaktor erineb oluliselt ühtsusest, on gamma tegur väike. Kuigi kiirus on valgusest kaugel, määrab pöördvõrdsus kiiruse ruuduga energiakao funktsiooni käitumise. Seda võib mõista nii, et kiire osake veedab vähem aega tuuma Coulombi väljas ja seda on raskem tabada. Kui kiirus läheneb valguse kiirusele, jääb beetafaktor peaaegu muutumatuks, kuid gamma tegur kasvab kiiresti ja logaritmiline liige saab määravaks. See tähendab, et interaktsiooni ristlõike suurenemine energilisemate osakeste jaoks. Selgub midagi sellist.
Sellel pildil näete, mida annab Bethe-Blochi valem erinevate ainete ja osakeste jaoks. Tõepoolest, kui aine parameetrid on lisatud erinevad kohad, siis on osakese mass ainult ühes. Seetõttu saab telge, mida mööda joonistatakse beeta- ja gammategurite korrutis, st vähendatud impulss, lihtsalt nihutada. Veelgi enam, mida raskem on osake, seda rohkem tuleb seda nihutada ja skaala on logaritmiline. See tähendab, et energia suurenemisega toimub müoonide minimaalne ionisatsioon palju kiiremini kui elektronide puhul. Prootonite puhul tundub, et mitte kiirem. Ainult prooton ise on kaks tuhat korda raskem kui elektron ja peaaegu kümme korda raskem kui müüon, nii et impulsi absoluutarvudes nihkub skaala samamoodi nagu müüoni või piooni puhul.
Bremsstrahlung
Madala energiaga osakeste puhul domineerivad ionisatsioonikaod. Need on elastsed vastasmõjud, mille tulemusena ei sünni uusi osakesi. Kiire laenguga osakese koostoime tuuma Coulombi väljaga võib aga tekitada footoneid. Protsessi nimetatakse bremsstrahlungiks. Footon kannab energiat ja saab ise ainega suhelda. Bremsstrahlungist tingitud energiakaod saadakse avaldisega:
Z, A - sama, mis eespool; z, m, E - langeva osakese laeng, mass ja energia. Bremsstrahlungi kaod sõltuvad lineaarselt E-st, mistõttu nad domineerivad kõrgete energiate korral. Kuid arvuliselt on need pöördvõrdelised langeva osakese massi ruuduga. Meenutagem veel kord, et müüon ja pioon on elektronist kaks suurusjärku raskemad ja prooton kolm suurusjärku raskemad. Mis annab vastavalt neli ja kuus suurusjärku erinevust. Seetõttu toimivad hästi nii ionisatsioon kui ka tõkestamine elektronile, mis ainet läbides tekitab tõelisi osakeste: footonite ja elektronide sadu. Massiivsete osakeste tõhusaks tuvastamiseks peame otsima muid meetodeid. Pioon ja prooton osalevad tugevas vastasmõjus, kuid see arv müüoniga ei tööta. Jääb installimist mitu korda suurendada. 
Sektori detektor CMS, et hinnata probleemi ulatust. Rohelisest kihist piisab, et elektronid kaotaksid oma energia. Hadronitele piisab kollasest. Kõik peale selle on müüonisüsteem.
Footonid ja elektromagnetilised dušid
Footon on valguse kvant. Valgus on sama, mida me inimsilmaga näeme, ainult energiad (ja sagedused) on erinevad. Selliste energiate footon, kui see silma tabab, käivitab palju halbu protsesse. Peamised:
- Fotoelektriline efekt on elektronide emissioon silma aatomitest. Domineerib madalal energial.
- Comptoni efekt on footoni elastne hajumine elektronide poolt, mis moodustavad silma aatomid. Domineerib keskmise energiaga.
- Elektron-positroni paaride otsene tootmine silma aatomi Coulombi väljas. Domineeriv kõrgete energiate korral.
Põhimõte on selline
Edasi läheb niimoodi
Ja jätab nii ilusad jäljed
Üldiselt ei näe kiirendisse kinni jäänud silm mitte ainult gammakvanti, vaid tõenäoliselt ei näe ka kunagi midagi muud. Antud footon interakteerub ainult kaks korda oma elus: sündimisel ja neeldumisel. Kuid see võib duši alt väljuda ilma uusi osakesi tekitamata ainult siis, kui selle energiast ei piisa isegi fotoelektrilise efekti jaoks. Seejärel neeldub footon aatomi elektronis, viies selle ergastatud olekusse. IN kõige lihtsam mudel dušš, kus igal järgneval etapil saadakse kaks osakest, iga samm vähendab osakeste keskmist energiat poole võrra. Vastavalt sellele vähendab kümme sammu seda kolme suurusjärgu võrra. Ühelt orbiidilt teisele ülemineku energiad on mitu eV. Esialgse footoni (või elektroni) energia võib olla mitu MeV ja isegi GeV. Ehk et vihm hakkab vaibuma, peab läbima paarkümmend kuni kolmkümmend sammu ja eriti tähelepanuta jäetud juhtudel (selles mõttes, et käivitatud on võimas installatsioon) veelgi rohkem.
Ühe sammu iseloomuliku suuruse annab kiirguse pikkus - s keskmine pikkus, mille jooksul elektron kaotab (1-1/e) oma energiast bremsstrahlungi või 7/9 keskmine pikkus footoni vaba tee paaride sündide vahel. Kiirguspikkust mõõdetakse samades ühikutes kui x ionisatsiooni- ja tõmbekadude valemites. Selle teisendamiseks tavalisteks sentimeetriteks peate jagama tihedusega. Elektromagnetiline dušš võib areneda kümnete kiirguspikkuste ulatuses. Kiirguse pikkust arvutatakse tavaliselt kümnetes grammides ruutsentimeetri kohta. Sentimeetrites võib tulemus olla väga erinev, kuna ained on erineva tihedusega. Seega võib atmosfääris tekkida elektromagnetiline dušš paljude kilomeetrite jooksul ja MeV elektronide täpseks kalorimeetriaks piisava pliiplaadi paksus ei ületa mitukümmend sentimeetrit.
Loomulikult oleks muuoni, prootoni või pioni jaoks arvutatud kiirguse pikkus massi erinevuse tõttu erinev. Praktikas tähendaks see, et seesama 10 cm paksune pliikalorimeeter (umbes 20 rad pikkust) lendaks pojengist märkamatult mööda. Samal ajal kui elektron tekitaks paratamatult vihma, millel oleks aega areneda ja välja surra. Seega tuleb raskete osakeste jaoks palju rohkem kalorimeetreid ehitada.
Hadroni dušid
Prootoneid ja pione saab püüda tänu sellele, et nad osalevad mitte ainult elektromagnetilises, vaid ka tugevas vastasmõjus. Kui elektromagnetiline interaktsioon toimus aatomi Coulombi väljas, toimub väljas tugev interaktsioon tuumajõud. Enamik seal toimuvaid protsesse on mitteelastsed, see tähendab, et algosake neeldub, sünnitades mitmeid teisi. Siiski on ka elastseid hajutamisprotsesse.
Sel juhul võivad sündida mitte ainult hadronid, vaid ka footonid ja elektronid, mis põhjustavad elektromagnetilisi hoovihmasid. Eraldada võivad mitmest hadronist koosnevad osakesed, näiteks tuntud alfaosake, heeliumi tuum. Ligikaudu viiendik langeva osakese energiast läheb tuumasidemete "nähtamatuks" energiaks, mida kalorimeetris ei registreerita. 
Absorberis oleva hadronikaskaadi skeem. Nähtavad pi0 mesonite tekitatud elektromagnetilised vihmad
Hadroni duši suurust iseloomustab tuuma pikkus, mis raskete aatomite puhul on suurusjärgu võrra suurem kui kiirguse pikkus. See on kurb, kuid alternatiiviks on bremsstrahlungi kadude nelja- kuni kuue suurusjärgu erinevus. Seetõttu mõõdetakse sel viisil tugevas vastasmõjus osalevate osakeste energiat. Täpset hadronikalorimeetriat takistavad suured kõikumised duši arengus. Selle probleemi lahendamiseks tuleb välja mõelda spetsiaalsed kaalumisprotseduurid. Parimate hadronikalorimeetrite energialahutusvõime ei ületa aga 35% jagatuna energia ruutjuurega. Mis on suurusjärgu võrra halvem kui elektromagnetiliste kalorimeetrite tüüpilised väärtused.
Venekeelses teadus- ja õppekirjanduses on selle raamatu teemalisi väljaandeid teada väga vähe ning need on ammu muutunud bibliograafiliseks harulduseks.
See väljaanne eristub detektorisüsteemide tööpõhimõtete täielikkuse ja süstemaatilise kirjelduse poolest. tehniline seade praktiline rakendamine, samuti arutelu nende kohaldamisala üle.
Raamat sisaldab ulatuslikku bibliograafiat (rohkem kui 600 viidet raamatuväljaannetele ja originaalartiklitele kaasaegsetes füüsikaajakirjades) ja sõnastikku, mis sisaldab kokkuvõtlikku teavet iga vaadeldava detektoritüübi ulatuse, eeliste ja puuduste kohta.
See on suurepärane hariv ja teatmik kõigile, kes kasutavad oma praktilises töös kiirgus- ja osakestedetektoreid.
Osakeste ja kiirguse vastastikmõju ainega.
Osakesi ja kiirgust ei saa tuvastada otse, vaid ainult nende koostoime kaudu ainega. Laetud osakeste vastastikmõjud erinevad üldiselt neutraalsete osakeste, näiteks footonite vastastikmõjust. Iga interaktsiooniprotsess võib olla teatud tüüpi tuvastamise aluseks. Seal on palju erinevat tüüpi interaktsioonid ja selle tulemusena suur hulk osakeste ja kiirguse detektorid. Lisaks sellele on sama osakese puhul erinevatel energiatel erinevad tüübid interaktsioonid.
Selles peatükis käsitletakse üksikasjalikult osakeste ja aine vahelise interaktsiooni põhimehhanisme. Teatud tüüpi detektorite kirjeldamisel mainitakse mõningaid efekte. Me ei tuleta ristlõigete avaldisi esimestest põhimõtetest, vaid esitame ainult lõplikud tulemused, nagu need kehtivad osakeste detektorite kohta.
Sisu
Eessõna tõlke toimetajatelt Eessõna venekeelsele väljaandele Autori eessõna Sissejuhatus
1 Osakeste ja kiirguse vastastikmõju ainega
1.1 Laetud osakeste vastastikmõju ainega
1.1.1 Energiakaod ioniseerimisel ja ergutamisel
1.1.2 Spetsiifiline ionisatsioon
1.1.3 Mitmekordne hajumine
1.1.4 Bremsstrahlung
1.1.5 Elektron-positroni paaride otsene tootmine
1.1.6 Fototuumade vastastikmõjudest tingitud energiakaod
1.1.7 Täielik kaotus energiat
1.1.8 Laetud osakeste ulatuse ja energia suhe
1.2 Footonite interaktsioon
1.2.1 Fotoefekt
1.2.2 Comptoni efekt
1.2.3 Paaride sünd
1.2.4 Footonite neeldumise ristlõige
1.3 Tugev hadronite koostoime
1.4 Triiv ja difusioon gaasides
2 Osakeste detektorite peamised omadused
3 kiirgusühikut
4 detektorid ionisatsiooni ja jälgimise mõõtmiseks
4.1 Ionisatsioonikambrid
4.2 Proportsionaalsed loendurid
4.3 Geigeri loendurid
4.4 Voolutorud
4.5 Osakeste tuvastamine vedelikes
4.6 Mitmejuhtmelised proportsionaalsed kambrid
4.7 Lamedad triivikambrid
4.8 Silindrilised traatkambrid
4.8.1 Silindrilised proportsionaalsed ja triivikambrid
4.8.2 Joa triivikambrid
4.8.3 Ajaprojektsioonikaamerad (TPC)
4.9 Optilise pikapiga ajaprojektsioonikaamerad
4.10 Vananemise mõju traadikambrites
4.11 Mullikambrid
4.12 Pilvekambrid
4.13 Streamer kaamerad
4.14 Kambrid väljalasketorudel
4.15 Sädemekambrid
4.16 Tuumaemulsioonid
4.17 Hõbehalogeniidi kristallid
4.18 Röntgenfilmid
4.19 Termoluminestsentsdetektorid
4.20 Radiofotoluminestsentsdetektorid
4.21 Plastidetektorid
4.22 Ionisatsiooni- ja jälgimismõõtmiste detektorite võrdlus
5 Aja mõõtmised
5.1 Fotokordistad
5.2 Stsintillatsiooniloendurid
5.3 Lamedad sädemeloendurid
6 Osakeste identifitseerimine
6.1 Neutroniloendurid
6.2 Neutriinodetektorid
6.3 Lennuaja loendurid
6.4 Tšerenkovi loendurid
6.5 Üleminekukiirguse detektorid (TRD-d)
6.6 Eraldamine energiakadude järgi
6.7 Osakeste tuvastamise meetodite võrdlus
7 Energia mõõtmine
7.1 Tahkisdetektorid
7.2 Elektron- ja footonkalorimeetrid
7.3 Hadroonilised kalorimeetrid
7.4 Osakeste identifitseerimine kalorimeetrites
7.5 Kalorimeetrite kalibreerimine ja jälgimine
7.6 Krüogeensed kalorimeetrid
8 Pulsi mõõtmine
8.1 Magnetspektromeetrid fikseeritud sihtmärgiga katseteks
8.2 Magnetspektromeetrid erirakendusteks
9 Elektroonika
10 Infotöötlus
Lisa A: füüsikaliste põhikonstantide tabel
Lisa B: Määratlus füüsikalised kogused ja nende üksused
Bibliograafia
Tähestikuline register.
Tasuta allalaadimine e-raamat mugavas vormingus, vaadake ja lugege:
Laadige kiiresti ja tasuta alla raamat Detectors of Elementary Particles, Reference Edition, Groupen K., 1999 - fileskachat.com.
Geigeri loendur.
Stsintillatsiooniloendur.
Pooljuhtide detektor. Pooljuhtkristallis tekitab osake lisalaenguid – elektron-augu paare. Rakendatud pinge mõjul liiguvad need detektori elektroodidele, tekitades välises ahelas elektriimpulsi.
Ribade detektor. Räni vastastikku risti asetsevate ribade maatriks võimaldab suure täpsusega mõõta osakese koordinaate.
Tšerenkovi neutriinodetektori loendurid (Los Alamos, USA).
MEPhI töötajad monteerivad üleminekukiirguse detektorit (TRD) ATLASe paigalduse jaoks (Cern, Genf).
Wilsoni kamber.
Mullikamber.
Foto väävli- ja kullaioonide kokkupõrkest voodri (teatud tüüpi sädeme) kambris. Selles kokkupõrgete käigus tekkivad laetud osakeste jäljed näevad välja kui eraldi mitteliituvate heidete ahelad - streamerid.
Esimene laetud osakeste detektor oli pilvekamber.
Esimese pilvekambri tööpõhimõte.
Kaasaegne installatsioon elementaarosakeste salvestamiseks ATLAS.
Sisse avamisest alates XIX lõpus sajandi esimesest elementaarosakesest – elektronist, on füüsikud enam kui sada aastat välja pakkunud üha uusi ja uusi vahendeid nende väikseimate aineühikute uurimiseks.
Laetud osakesi on kõige lihtsam tuvastada, mistõttu avastati need varem. Neid tuvastatakse ionisatsioonijälje järgi, mille on jätnud elektron-ioon paarid nende teel. Pärast lahendustoru kiirtevoos avastatud elektroni avastati prooton (vesinikuaatomi tuum), a-osake (heeliumi aatomi tuum), teiste elementide tuumad ja terve galaktika elementaarosakesi. varsti avastati, alates suhteliselt kergetest mesonitest kuni raskete hüperonite ja veelgi massiivsemate osakesteni, mis hõlmavad raskeid kvarke (vt "Teadus ja elu" nr 8, 1994).
Neutraalsete osakeste otsene registreerimine on võimatu: nad ei ioniseeri ainet ja annavad endast teada ainult interaktsiooni ajal neid "valgustavate" laetud osakeste moodustumisega. Nii avastati neutron (tagasilöögiprootonitest), gammakvant (elektron-positroni paaridest) ja paljud teised “neutraalid”.
Seadmed, mis “püüdvad” osakesi, jagunevad kahte rühma – loendurid ja kaamerad.
Loendurid registreerivad osakese läbimise fakti, määrates ajahetke (mõnikord suure, kuni nanosekundi, 10-9 s täpsusega), kaotatud energia hulga ja selle, kas neid kasutatakse "teleskoobi" valmistamiseks. , seotud elektrooniline skeem kokkusattumused, siis osakese saabumise suund. Geigeri gaaslahendusloendur, mis on füüsikas viiskümmend aastat truult teeninud, on hästi tuntud; proportsionaalne loendur, mille signaal on osakese ionisatsioonikao mõõt; stsintillatsiooniloendurite perekond. Anorgaanilistes stsintillaatorites (NaI, CsI kristallid jt), nende orgaanilistes (antratseen jne) ja plastilistes (polüstüreen jt) analoogides tekivad luminestsentssähvatused laetud osakeste mõjul. Seda nõrka sära võimendavad fotokordisti torud (PMT) miljoneid kordi. Stsintillatsiooniloendurid ilmusid eelmise sajandi keskel ja neid kasutatakse edukalt tänapäevani.
Pooljuhtide loendurid, mille signaali moodustavad pooljuhtkihis olevad elektron-augu paarid, on stsintillaatorite suhtes tundlikkuselt paremad. Parimad neist - liitiumiga legeeritud germaaniumikristallid (Ge(Li) - mõõdavad osakeste energiat 0,1% täpsusega, kuid on piiratud suurusega ja vajavad sügavjahutust.Ribadetektorid, mida kasutatakse laialdaselt viimased aastad, on teatud tüüpi pooljuhtloendur kitsaste räniribadena tahkel aluspinnal. Nende vastastikku risti asetsevad kihid võimaldavad mõõta osakeste koordinaate kümne mikroni täpsusega.
Ionisatsioonikamber, üks vanimaid detektoreid, on sisuliselt loendur, mis mõõdab osakese ionisatsiooni tõttu tekitatud kogulaengut. Selle erinevaid modifikatsioone (gaas, vedelik) kasutatakse siiani osakeste ja nende kiirte energia mõõtmiseks, eriti sageli dosimeetrias. Xenon kaamera kõrgsurve, mis on energia eraldusvõimelt Ge(Li) kristallidest veidi halvem, ei ole piiratud suurusega ega vaja jahutamist, mis on eriti väärtuslik satelliitidel katsete läbiviimisel.
Veelgi tundlikumad on Tšerenkovi loendurid, mis tuvastavad koherentse kiirguse osakeselt, mis liigub valguse kiirusest suurema kiirusega keskkonnas. Nende uusim saavutus on nn RICH-detektorid (Tšerenkovi rõngas), mis "näevad" mitte üksikuid footoneid, vaid kogu Tšerenkovi valguse rõngast, mis võimaldab mõõta tuvastatud osakese paljusid omadusi. Sellesse detektorite klassi kuuluvad ka TRD-detektorid (transition radiation detector), üleminekukiirguse loendurid, mis tekivad siis, kui laetud osake ületab kahe keskkonna piiri. Need eraldavad ülirelativistlikke osakesi (mille kiirus on väga lähedane valguse kiirusele) tohutus osakeste voos ja neid kasutatakse üha enam suure energiaga kiirendites.
Registreeritud osakeste voogu paigutatud loendurite ansambel moodustab nn hodoskoopilise installatsiooni, mis võimaldab jälgida iga üksiku osakese teekonda ning magnetvälja asetatuna on võimalik mõõta selle impulssi ja laengumärki. . Loendurid on kihiti kaetud kalorimeetritega – seadmetega, mis mõõdavad osakeste energiat nende aines tekkivate elektronide, positronite ja footonite sadu põhjal. "Lennuaja süsteemi" kuuluvad loendurid mõõdavad osakese kiirust. Kaasaegsed kiirendipaigaldised, mis sisaldavad tuhandeid loendureid, annavad ruumilise pildi sündmusest – paljude sekundaarsete osakeste sünnist, nende lagunemisest ja vastasmõjudest, mis tekivad, kui kiirendatud osake tabab sihtmärki.
Kaamerad ehk rajadetektorid on seadmed laetud osakese trajektoori jälgimiseks kõigi sekundaarsete toodetega. Esimene rajadetektor oli tuntud Wilsoni kamber (väliskirjanduses - “udukamber”). Selle tööpõhimõte on udupiiskade moodustumine ülejahutatud aurus oleva osakese ionisatsioonijäljele pärast rõhu järsku vabastamist. Magnetvälja asetatud Wilsoni kambrist sai möödunud sajandi alguse üks peamisi füüsilisi instrumente; katsed sellega viisid paljude fundamentaalsete avastusteni.
Hilisem juhi roll mõõtmistehnoloogia liikus edasi mullikambrisse, milles osakeste jäljed tekitasid ülekuumutatud vedelikus mikroskoopilisi gaasimulle. Mullikambrid, eriti need, mis on täidetud vedela vesinikuga (prootoni sihtmärgid), on aidanud kiirendikatsetes saavutada silmapaistvaid tulemusi. Kuulus Mirabeli vedela vesiniku kamber (maailma suurim) töötas paljudel kiirenditel, sealhulgas IHEP sünkrofasotronil (Protvino). Termodünaamiliste kambrite (Wilson, mull) puudusteks on madal kiirus ja andmete automatiseerimise võimatus, mis sai märgatavaks takistuseks pärast arvuti kasutuselevõttu katsesse juhtimis- ja töötluskeskusena.
Erilise koha hõivab fotoemulsioonkaamera (tuumafotoemulsiooni meetodi arendus) - koordinaatmõõtmiste täpsuse rekordimurdja (kuni 1 mikron), kuid täiesti sobimatu loendurite ja arvutiga töötamiseks. Sellest saadud andmeid tuleb käsitsi töödelda.
See asendati elektrilahendusseadmetega, mis suurendasid järsult kiirenduskiirte kasutamise efektiivsust (kiiruse ja osakeste loenduritega dokkimise võimaluse tõttu): sädemekambrid ja nende mitmekesisus - voogukambrid. Sädemed ja striimerid – üksikute heidete ahelad – järgivad suure täpsusega ionisatsioonirada isegi kaare kujul, kui osake liigub magnetväljas. Erinevad liigid säde- ja voolukambrid osalesid olulistes katsetes, kuid mitme juhtmega kambrid - proportsionaalsed, triivimis- ja muud modifikatsioonid - osutusid universaalsemaks ja paindlikumaks, kaasaegsetele nõuetele vastavaks vahendiks.
Neutraalsete osakeste registreerimine toimub samade meetoditega nagu laetud osakeste (loendurid + kaamerad), võttes arvesse ainult asjaolu, et nad peavad esmalt tekitama laetud osakesed.
Erilise koha hõivavad neutriinodetektorid – osakesed, mis ei osale ei tugevas ega elektromagnetilises vastasmõjus. Neutriinode läbitungimisjõud on kolossaalne, nende vool võib läbida tuhandeid pliikihte astronoomilised ühikud. Nende ainega interaktsiooni tõenäosus on mitu suurusjärku väiksem kui laetud osakestel. Sel põhjusel peavad olema neutriinode tuvastamise seadmed suured suurused ja massi mõõdetakse tuhandetes tonnides. Kõrvaliste laetud osakeste tausta vähendamiseks asuvad neutriinodetektorid suurte ainekihtide all (maa- ja veealused paigaldised). Päikese neutriinodetektorid - Homestake (Davise kloori-argooni detektor, USA), Kamiokande (Jaapan), samuti Venemaa omad - gallium-germaaniumi detektor Baksanis ja Baikali installatsioon selged veed kuulus järv (vt “Teadus ja elu” nr 8, 1994).
Geigeri loenduri illustratsioon.
Klaastorus, mis on täidetud gaasiga rõhul 100–200 mmHg. Art., asetatakse kaks elektroodi - õhukese keerme kujul olev anood ja toru seinale silindriline katood, millele rakendatakse pidevat mitmesajavoldist pinget. Kui laetud osake siseneb torusse, gaas ioniseerub. Vabad elektronid liiguvad kiirendusega anoodi poole, tekitades gaasi sekundaarse ionisatsiooni. Tekib tühjenemine põhjustades elektriline impulss.
Illustratsioon "Stsintillatsiooniloendur".
Kui laetud osake tabab stsintillaatorit (kristall, vedelikuga rakk või plastkiht), ilmub selles nõrk luminestsentssähvatus. Selle valgus liigub läbi valgusjuhiku fotokordisti torusse, mis genereerib elektriimpulsi, mille amplituud on võrdeline langeva osakese energiakaoga.
Illustratsioon "Neutriinodetektori Tšerenkovi loendurid (Los Alamos, USA)".
Anumasse valatakse 167 tonni stsintillaatoriga segatud mineraalõli. Neutriinode koosmõjul aine aatomitega tekivad suure energiaga elektronid, mille kiirus on suurem kui valguse kiirus keskkonnas. Kui nad liiguvad, ilmub sära, mis levib koonuse kujul. Seda salvestab 1220 fotokordisti toru konteineri seintel.
Illustratsioon "Pilvekamber".
Klaaskaane ja põhjaga kolviga anum täidetakse vee, alkoholi või eetri küllastunud aurudega. Kolvi langetamisel adiabaatilise paisumise tõttu aurud jahtuvad ja üleküllastuvad. Kambrit läbiv laetud osake jätab oma teele ioonide ahela. Aur kondenseerub ioonidele, muutes osakeste jälje nähtavaks.
Illustratsioon "Mullikamber".
Mahuti täidetakse hästi puhastatud vedelikuga. Vedelikus ei ole aurude moodustumise keskusi, mistõttu võib see üle keemistemperatuuri üle kuumeneda. Kuid mööduv osake jätab endast maha ioniseeritud jälje, mida mööda vedelik keeb, tähistades selle trajektoori mullide ahelaga. Kaasaegsetes kambrites kasutatakse vedelaid gaase – propaan, heelium, vesinik, ksenoon, neoon jne Pildil Lebedevi Füüsika Instituudis projekteeritud mullikamber. 1955–1956.
Illustratsioon "Esimene laetud osakeste detektor – pilvekamber."
Esimene laetud osakeste detektor, Wilsoni kamber, loodi 19. aprillil 1911. aastal. Kambriks oli klaassilinder läbimõõduga 16,5 cm ja kõrgusega 3,5 cm Silindri ülaosa oli kaetud liimitud peegelklaasiga, mille kaudu pildistati osakeste jälgi. Sees oli teine silinder, selles oli vette lastud puidust rõngas. Sõrmuse pinnalt aurudes küllastas see kambri veeauruga. Vaakumpump tekitas vaakumi sfäärilises anumas, mis oli ühendatud kambriga klapiga toruga. Klapi avamisel tekkis kambris vaakum, veeaur muutus üleküllastutuks ning laetud osakeste jälgedele tekkis kondenseerumine udutriipudena (sellepärast väliskirjandus Seadet nimetatakse pilvekambriks.
Illustratsioon "Esimese pilvekambri tööpõhimõte."
Kuulid 2 ja 3 riputati keerme 1 küljes. Keerme põletati, avades samaaegselt klapi 4. Kuulid kukkudes sulgesid kontaktid 5 ja 6 järjestikku, ühendatud allikatega kõrgepinge– Leydeni purkide patareid. Röntgentoru 7 lülitati sisse, ioniseerides oma kiirgusega kambris olevat gaasi ja sekundisajandikute pärast tekkis sädemevahesse 8 säde, mis valgustas jälgi. Neid pildistas kaamera 9. Nii algas mikromaailma uurimine ligi sada aastat tagasi.
Illustratsioon "Kaasaegne installatsioon elementaarosakeste salvestamiseks ATLAS."
Kaasaegne installatsioon elementaarosakeste salvestamiseks ATLAS, mis on loodud töötama suures hadronis LHC põrkur(Large Hadron Collider), mida ehitatakse Genfis Euroopa tuumauuringute keskuses (CERN). Selles hiiglaslikus ehitises, mis on kaheksakorruselise hoone kõrgus, on seadmed hadronite – nn tugevas vastasmõjus osalevate elementaarosakeste – vastasmõju registreerimiseks. Need on müoonidetektorid 1, raja siirdekiirguse detektor 8, elektromagnetilised ja hadroonkalorimeetrid 3, 4, 7, tohutud ülijuhtivad magnetid 2, 5, 9. Detektorid on kaetud paksu kiirguskaitsekihiga 6. Kõik seadmed on valmistatud täpsusega 100 mikronit ja peab toimima sünkroonselt tugevate väljade ning footonite ja neutronite tihedusega 107 cm2/s voogude tingimustes pikki aastaid. ATLAS salvestab kõik detektorisse saabuvad osakesed mis tahes nurga all, salvestades samal ajal nende omadused. Kogu installatsiooni aluseks on siirdekiirguse detektor, mis on loodud ultrarelativistlike osakeste jälgede registreerimiseks ja nende klassifitseerimiseks kahe keskkonna (siin - õhk-polüpropüleen) piiri ületamisel tekkiva röntgenikiirguse järgi. See nähtus avastati aastal. 1950. aastatel V. L. Ginzburg ja I. M. Frank. Detektor koosneb 400 tuhandest torust läbimõõduga 4 mm ja neljakihilistest seintest paksusega 28 mikronit. Tööpõhimõtte järgi meenutavad need Geigeri loendurit: toru täidetakse gaasiseguga, piki selle telge jookseb õhuke traat pingega +1500 V. Osake ioniseerib gaasi, elektron triivib juhtme külge ( anood). Saadud signaali loeb kiire aparatuur, mis salvestab saabumisaja ja koordineerib umbes 1 ns ja 100 μm täpsusega. Kogu detektor võtab enda alla mitu kuupmeetrit ja võimaldab registreerida ja ära tunda umbes 10 miljardi osakese "sortid" igas sekundis.