A. Методы регистрации. Способы наблюдения и регистрации 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 всœего 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 всœе сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц всœе в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелœевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

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

Обычно в экспериментах по физике ядра и частиц крайне важно выделять "нужные" события на гигантском фоне "ненужных" событий, должна 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 селœекция 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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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. Οʜᴎ 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. При этом 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 10 3 - 10 6 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. При этом, по сравнению с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. Учитывая зависимость оттребований эксперимента для измерения энергии частиц используется либо только электронная компонента токового импульса, либо электронная и ионная.

4. Полупроводниковый детектор . Устройство полупроводникового детектора, которые обычно изготовляются из кремния или германия, аналогично устройству ионизационной камеры. Роль газа в полупроводниковом детекторе играет определœенным образом созданная чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителœей 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 об количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. И, в случае 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 - кинœетическая энергия частицы, W - энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Для германия и кремния W ~ 3-4 эВ и равна энергии крайне важно й 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).

5. Камера Вильсона. Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Важно заметить, что для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

6. Пузырьковая камера. Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ состоит по сути в том, что можно непосредственно наблюдать всœе заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и в связи с этим пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

7. Ядерные эмульсии. Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.

8. Искровая камера. Искровая камера состоит нескольких плоских искровых промежутков, объединённых в одном объёме. После прохождения заряженной частицы через искровую камеру на её электроды подаётся короткий высоковольтный импульс напряжения. В результате вдоль трека образуется видимый искровой канал. Искровая камера, помещённая в магнитное поле, позволяет не только детектировать направление движения частицы, но и по искривлению траектории определять тип частицы и её импульс. Размеры электродов искровых камер могут доходить до нескольких метров.

9. Стриммерная камера. Это аналог искровой камеры, с большим межэлектродным расстоянием ~0.5 м. Длительность высоковольтного разряда подаваемого на искровые промежутки составляет ~10 -8 с. По этой причине образуется не искровой пробой, а отдельные короткие светящиеся световые каналы - стриммеры. В стриммерной камере можно регистрировать одновременно несколько заряженных частиц.

10. Пропорциональная камера. Пропорциональная камера обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму и в каком-то смысле является аналогом многоэлектродного пропорционального счетчика. Высоковольтные проволочные электроды отстоят друг от друга на расстоянии нескольких мм. Заряженные частицы, проходя через систему электродов, создают на проволочках импульс тока длительностью ~10 -7 с. Регистрируя эти импульсы с отдельных проволочек можно с точностью до нескольких микрон восстановить траекторию частиц. Разрешающее время пропорциональной камеры составляет несколько микросœекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры ~5-10%.

11. Дрейфовая камера. Это аналог пропорциональной камеры, позволяющий с ещё большей точностью восстановить траекторию частиц.

Искровая, стриммерная, пропорциональная и дрейфовая камеры обладая многими преимуществами пузырьковых камер, позволяют запускать их от интересующего события, используя их на совпадения со сцинтилляционными детекторами.

12. Сцинтилляционный детектор.
Размещено на реф.рф
Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться при прохождении заряженной частицы. Кванты света͵ образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителœей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, к примеру, NaI, BGO, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие - для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

13. Калориметры. Калориметры представляют из себячередующиеся слои вещества, в котором тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои желœеза и свинца) и детекторы, в качестве которых используют искровые и пропорциональные камеры или слои сцинтиляторов. Ионизирующая частица высокой энергии (E > 1010 эВ), проходя через калориметр, создаёт большое число вторичных частиц, которые, взаимодействуя с веществом калориметра, в свою очередь создают вторичные частицы - образуют ливень частиц в направлении движения первичной частицы. Измеряя ионизацию в искровых или пропорциональных камерах или световой выход сцинтиляторов, можно определить энергию и тип частицы.

14. Черенковский счётчик. Работа черенковского счётчика основана на регистрации излучения Черенкова - Вавилова, возникающего при движении частицы в среде со скоростью v превышающей скорость распространения света в среде (v > c/n). Свет черенковского излучения направлен вперёд под углом по направлению движения частицы.

Световое излучение регистрируется с помощью фотоумножителя. При помощи черенковского счётчика можно определить скорость частицы и отобрать частицы по скоростям.

Самым большим водяным детектором, в котором частицы детектируются с помощью черенковского излучения, является детектор Суперкамиоканде (Япония). Детектор имеет цилиндрическую форму. Диаметр рабочего объёма детектора 39.3 м., высота 41.4 м. Масса детектора составляет 50 ктонн, рабочий объём для регистрации солнечных нейтрино 22 ктонн. Детектор Суперкамиоканде имеет 11000 фотоумножителœей, которые просматривают ~40% поверхности детектора.

В данной статье мы поможем подготовиться к уроку по физике (9 класс). исследования частиц - это не обычная тема, а очень интересная и захватывающая экскурсия в мир молекулярной ядерной науки. Достичь такого уровня прогресса цивилизация смогла совсем недавно, и ученые до сих пор спорят, а нужны ли человечеству такие знания? Ведь если люди смогут повторить процесс атомного взрыва, который привел к появлению Вселенной, то может, разрушится не только наша планета, но и весь Космос.

О каких частицах идет речь и зачем их исследовать

Частично ответы на эти вопросы дает курс физики. Экспериментальные методы исследования частиц - это способ увидеть то, что недоступно человеку даже при использовании самых мощных микроскопов. Но обо всем по-порядку.

Элементарная частица - это совокупный термин, под которым подразумеваются такие частицы, которые уже нельзя расщепить на меньшие кусочки. Всего физиками открыто более 350 элементарных частиц. Мы больше всего привыкли слышать о протонах, нейронах, электронах, фотонах, кварках. Это так называемые фундаментальные частицы.

Характеристика элементарных частиц

Все наименьшие частицы имеют одно и тоже свойство: они могут взаимопревращаться под влиянием собственного воздействия. Одни имеют сильные электромагнитные свойства, другие слабые гравитационные. Но все элементарные частицы характеризуются по следующим параметрам:

• Масса.
• Спин - собственный момент импульса.
• Электрический заряд.
• Время жизни.
• Четность.
• Магнитный момент.
• Барионный заряд.
• Лептонный заряд.

Краткий экскурс в теорию строения вещества

Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь имеют ядро и электроны. Электроны, подобно планетам в Солнечной системе, двигаются вокруг ядра каждый по своей оси. Расстояние между ними очень большое, в атомных масштабах. Ядро состоит из протонов и нейронов, связь между ними настолько крепкая, что их невозможно разъединить ни одним известным науке способом. В этом и состоит суть экспериментальных методов исследования частиц (кратко).

Нам тяжело это представить, но ядерная связь превосходит все известные на земле силы в миллионы раз. Мы знаем химический, ядерный взрыв. Но то, что сдерживает протоны и нейроны в совокупности - это нечто иное. Возможно, это ключ к разгадке тайны возникновения мироздания. Именно поэтому так важно изучать экспериментальные методы изучения частиц.

Многочисленные опыты натолкнули ученых на мысль, что нейроны состоят из еще меньших единиц и назвали их кварками. Что находится внутри них, пока не известно. Но кварки - это неразделяемые единицы. То есть, выделить одну не получается никаким способом. Если ученые используют экспериментальный метод исследования частиц с целью выделить один кварк, то сколько бы попыток они не предпринимали, всегда выделяется минимум два кварка. Это еще раз подтверждает нерушимую силу ядерного потенциала.

Какие существуют методы исследования частиц

Перейдем непосредственно к экспериментальным методам исследования частиц (таблица 1).

В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной-единственной частицы атомных размеров. Одним из таких замечательных приборов является камера Вильсона, делающая видимыми траектории отдельных быстродвижущихся заряженных частиц (§ 212). Другой прибор этого рода, с примитивной формой которого мы познакомились в § 203, это - так называемый счетчик сцинтилляций.

При бомбардировке некоторых люминесцирующих веществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряженными частицами наблюдается, что заметная доля энергии тормозящихся в них заряженных частиц превращается в видимый свет: попадание быстрой заряженной частицы на слой такого вещества вызывает кратковременную вспышку света, называемую сцинтилляцией. Яркость вспышки особенно велика в случае частиц, так как частица тормозится на пути длины менее , и выделяющаяся световая энергия оказывается сосредоточенной в ничтожном объеме. Сцинтилляции, вызываемые частицами в экране из сернистого цинка, могут быть обнаружены глазом. Простейший прибор, служащий для этой цели,- спинтарископ - изображен на рис. 382. Однако визуальный (при помощи глаза) способ наблюдения сцинтилляций крайне утомителен. В настоящее время для счета сцинтилляций пользуются особо чувствительными фотоэлементами (см. § 185) - так называемыми фотоэлектронными умножителями, изобретенными советским физиком Л. А. Кубецким. Сцинтилляции, производимые и частицами, гораздо слабее свечения, вызываемого частицами; они недоступны глазу, и регистрация их производится только с помощью фотоэлектронных умножителей.

Рис. 382. Спинтарископ в раз резе (а) и внешний вид (б). 1 – иголка, на конце которой находится крупинка радия, 2 – экран из сернистого цинка, 3 - лупа

Очень распространенным прибором для регистрации отдельных заряженных частиц
является газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера. Газоразрядный счетчик (рис. 383) представляет собой металлический цилиндр 2, но оси которого натянута тонкая проволока 1, изолированная от цилиндра. Цилиндр заполняется специальной смесью газов (например, аргон + пары спирта) до давления На нить подается положительный потенциал порядка относительно цилиндра.

Рис. 383. Газоразрядный счетчик: 1 – анод счетчика (тонкая нить), 2 – катод (металлический цилиндр), 3 – изоляторы, 4 – электрометр для регистрации разрядов в счетчике. При разряде на нити счетчика скапливаются электроны и потенциал ее снижается. По окончании разряда потенциал нити восстанавливается благодаря притоку зарядов от батареи через сопротивление

Прохождение каждой ионизующей частицы через счетчик вызывает в нем кратковременную вспышку газового разряда. При этом по цепи счетчика проходит кратковременный импульс тока. Если сопротивление достаточно велико , то потенциал нити сохраняется сниженным в течение нескольких миллисекунд, и этот импульс можно обнаружить по отбросу чувствительного электрометра 4. На практике импульс тока, вызванный прохождением заряженной частицы через счетчик, усиливают транзисторным или электронно-ламповым усилителем и регистрируют по передвижению стрелки присоединенного к усилителю электромагнитного нумератора (рис. 384) или с помощью электронного цифрового индикатора.

Рис. 384. Схема установки для регистрации радиоактивных излучений с помощью газоразрядного счетчика: 1 – газоразрядный счетчик, 2 – усилитель, 3 – электромагнитный нумератор,

Рассмотрим подробнее механизм действия газоразрядного счетчика. Счетчик представляет собой два коаксиальных цилиндра, и потому электрическое поле в нем неоднородно (см. том , § 30). Напряженность электрического поля достигает наибольшей величины у нити и быстро спадает при удалении от нее (рис. 385, а). При разности потенциалов около напряженность электрического поля вблизи нити оказывается достаточно большой, чтобы сообщать медленные электронам скорость, необходимую для ионизации газа.

Рис. 385. К механизму работы газоразрядного счетчика частиц (1 – цилиндр счетчика, 2 – нить, диаметр которой преувеличен): а) Счетчик заряжен для рабочей разности потенциалов, при которой прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает в нем вспышку газового разряда. Изображены линии электрического поля, наибольшая у нити; б) поле в счетчике в момент самогашения разряда. Электроны, образованные при ионизации газа, собрались на нити и компенсируют часть ее положительного заряда. Положительные ионы продолжают двигаться к цилиндру. Поле у нити ослаблено; в) поле в счетчике, не присоединенном к батареи, после того как разряд погас и положительные ионы дошли до цилиндра

Пусть где-либо в объеме счетчика образовался свободный медленный электрон (например, в результате ионизации газа под действием быстрой частицы, пролетающей через счетчик). Этот электрон будет двигаться к положительно заряженной нити и в области сильного поля вблизи нити начнет ионизовать атомы газа. Электроны - продукты ионизации - ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, давая начало новым и новым электронам и новой ионизации.

Число ионизованных атомов лавинообразно нарастает - в газе вспыхивает электрический разряд. Образующиеся при разряде электроны очень скоро собираются на нити, тогда как тяжелые и потому малоподвижные ионы медленно движутся к цилиндру. Накопление электронов на нити снижает ее положительный заряд и все более и более уменьшает напряженность электрического поля у нити (рис. 385, б). Через короткое время (порядка микросекунды, т.е. миллионной доли секунды) поле ослабляется настолько, что уже не сообщает электронам нужной для ионизации скорости. Ионизация прекращается, и начавшийся разряд обрывается.

Если счетчик не подключен к батарее, то после разряда электрическое поле в нем остается ослабленным, и новый разряд невозможен (рис. 385, в). В обычно же употребляемых схемах включения (рис. 383 и 384) поле в счетчике быстро восстанавливается за счет притока зарядов от батареи, к которой счетчик подключен через сопротивление . Счетчик оказывается снова готовым к действию уже через после вспышки разряда.

Отметим, что быстрое гашение разряда происходит только при специальном подборе газового заполнения счетчика и при не слишком большом напряжении на нем. При чрезмерном повышении напряжения в счетчике возникает негаснущий разряд, состоящий из непрерывно следующих друг за другом вспышек описанного выше типа. Повторение вспышек разряда вызывается электронами, которые выбиваются из цилиндра счетчика при попадании на него положительных ионов.

В счетчике Гейгера-Мюллера амплитуда и длительность импульса тока, развивающегося в результате лавинного процесса в газе, не зависит от природы и энергии регистрируемой заряженной частицы «поджигающей» счетчик (т.е. вызывающей этот лавинный процесс). Можно выбрать и другой режим работы газоразрядного прибора – так называемый пропорциональный режим. Если уменьшить напряжение, приложенное к счетчику, так чтобы лавинный процесс не развивался очень сильно и не переходил в разряд, то число пар ионов в этой «ограниченной лавине» будет пропорционально начальной ионизации. Такие пропорциональные счетчики могут не только регистрировать отдельные частицы, но и измерять вызываемую ими ионизацию (т.е. энергетические потери частицы в газе), что очень важно для идентификации частиц.

В последнее время широкое распространение получили так называемые полупроводниковые детекторы. Такой детектор по существу представляет собой ионизационную камеру (рис. 376), в которой воздух заменен полупроводником. Использование кремния или германия, соответствующим образом обработанных, позволяет снизить темновой ток (ток в отсутствии ионизующего излучения) до приемлемых для регистрации ионизующего излучения значений величин. Преимуществом полупроводниковых детекторов является то, что, благодаря большой плотности вещества этих счетчиков, в них может быть поглощена большая часть энергии ионизующих излучений.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Технология: проблемно-диалогическая.

Цель урока: организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению знаний о методах регистрации заряженных частиц.

Оборудование: компьютер и мультимедиа-проектор, Презентация .

Способы регистрации заряженных частиц

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.

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.

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.

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. Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 –3 -10 –4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

3. Пузырьковая камера

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

4. Ядерные эмульсии

Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом.

5. Сцинтиляционный детектор

Сцинтиляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтилировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтиляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей.

Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении.

Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы на своем пути следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными или заряженными частицами.

Газоразрядный счетчик Гейгера . Счетчик Гейгера – прибор для автоматического счета частиц. Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод) и тонкой металлической нити, идущей по оси трубки (анод).

Трубка обычно заполняется инертным газом (аргоном). Действие прибора основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, соударяется с атомами, в результате чего возникают положительные ионы газа и электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов и электронов и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается на счетное устройство.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и -квантов. Регистрация тяжелых частиц (например -частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

Камера Вильсона . В камере Вильсона, созданной в 1912г., заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. По длине следа (трека), оставленного частицей, можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценить её скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.

Пузырьковая камера. В 1952г. американский ученый Д. Глейзер предложил использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара – образуется трек.

Эмульсионная камера. Советские физики Л.В. Мысовский и А.П. Жданов впервые применили для регистрации микрочастиц фотопластинки. Заряженные частицы оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы. Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц, лежащих параллельно плоскости слоя.

В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки, составленные из отдельных слоев фотоэмульсии. Этот метод назвали методом толстослойных фотоэмульсий.