Детектори - Физическа енциклопедия
ДЕТЕКТОРИ частици (лат. detector - който разкрива, открива) - устройства за регистриране на частици (протони, неутрони, -частици, мезони, електрони, -кванти и др.). D. се използват в експерименти. изследвания в ускорителите на заредени частици, в ядрените реактори, в изследването на космическите лъчи, както и в дозиметрията и радиометрията и др.
Действието на Д. се основава на разкл. процеси на взаимодействие на частиците с материята. Основен процеси, които се наричат заряд. частици са йонизацията и възбуждането на атоми и молекули, както и (за релативистичните частици) възбуждането на Черенков и преходното лъчение. Неутралните частици (напр. неутрони, -кванти) се регистрират чрез вторичен заряд. частици, които се появяват в резултат на взаимодействието им с материята. В случай на -кванти, това са електрони в резултат на фотоелектричния ефект, ефекта на Комптън и създаването на двойки електрон-позитрон (виж Гама-лъчение).Бързите неутрони се откриват чрез заряд. продукти на взаимодействие (ядра, протони, мезони и др.), бавни неутрони - според излъчването, което придружава улавянето им от ядрата на материята (виж Неутронни детектори).
D. се делят на два класа. В песен D. такса за преминаване. частици се фиксира под формата на пространствена картина на следата (следата) на тази частица; картината може да бъде снимана или записана с електронни устройства. В електронния Д. преминаването на частица предизвиква появата на електрически ток. импулс, to-ry се използва за регистриране и контрол на разлагането. процеси. Методи и апаратура за усилване, преобразуване и регистрация на ел. импулси от електронни Д. са предмет на ядрената електроника. Напредъкът в областта на електронната Д. и в ядрената електроника води до факта, че всичко б. ч. електронен Г. ви позволява да получите в допълнение към електрически.импулси и пространствената картина на следата на заряда. частици. В експеримента се използват компютри, които не само съхраняват и обработват информацията, получена от електронни устройства, но и контролират условията на експеримента (виж Автоматизация на експеримента).
Основнихарактеристики на детектора: ефективност - вероятността за откриване на частица при навлизане в работния обем на Д.; пространствена разделителна способност - точността на локализиране на мястото на преминаване на частицата; временно разрешение - мин. интервалът от време между преминаването на две частици, които се записват като отд. събития; мъртво време (време за възстановяване) - интервалът от време след регистрацията на частицата, през който Д. остава нечувствителен (таблица).
Сравнителни характеристики на някои детектори
Разделителна способност във времето, s
Време за възстановяване, s
Детектори за следи. Сред най обща писта D. - ядрена фотографска. емулсии, балонна камера, искрова камера, пропорционална и дрейфова камера. Камерата на Уилсън и дифузионната камера изиграха важна роля в ранните етапи от развитието на ядрената физика, но по-късно бяха заменени от друга песен D.
В ядрена фотографска емулсия преминаващ заряд. частицата причинява йонизация и по този начин създава латентни центрове на изображението. След развитие, следата на частиците се появява като верига от метални зърна. сребро. Поради малкия размер на зърното (1 μm), пространствената разделителна способност е изключително висока, а временната разделителна способност практически липсва, тъй като съвпада с времето на облъчване на емулсията. Това е едно от основните недостатъци на метода. д-р недостатъкът е сложността на намирането и измерването на събития.
Балонната камера се използва в експерименти с ускорители. Пълен е с течност,определен момент от време се въвежда (чрез понижаване на налягането) в прегрято състояние. Течността не кипи известно време, защото няма центрове, върху които да започне кипенето. Ролята на тези центрове играят йони, образувани по протежение на пистата на заряда. частици, върху които започват да растат мехурчета пара. Докато мехурчетата са все още с размер 1 мм, те се осветяват с импулсен източник на светлина и се фотографират. Мехурчетата се поставят в магн. поле за измерване на знака и импулсния заряд. частици. Камерите са с висока пространствена резолюция, която е ограничена от възможностите на фотографията. Използването на холографски методите очевидно ще подобрят пространствената разделителна способност с фактор около 10 (виж Холография).
Основна роля в експеримента. физиката на елементарните частици се играеше от искрова камера.В най-простия случай това е обем газ, в който има два плоски електрода на определено разстояние един от друг. Ако едновременно с преминаването на заряда. частици през газ (забавяне
10 -6 s) приложете висока потенциална разлика към електродите (
510 kV / cm), тогава между електродите на мястото, където преминава частицата, ще настъпи искров разпад. Чрез създаването на система от много електроди е възможно да се получи следа от частица под формата на верига от искри. Пространствената картина на събитието може да се възстанови чрез снимане на няколко едновременно. камери.
В камерите с широка междина разстоянието между електродите се увеличава и искрата следва следата на частиците до ъгли от 45° спрямо повърхността на електрода. В стримерните камери импулсът с високо напрежение се увеличава по амплитуда и се скъсява във времето. В резултат на това всеки стример, развиващ се от първични йонизационни електрони, се разпада преди да достигне електрода. По този начин се постига изотропност.
С въвеждането на компютри в експеримента се наблюдава голямо развитиет.нар безфилмови искрови камери, в които координатите на искрите се "запомнят" електронно. Например в телените искрови камери електродите са направени под формата на система от паралелни проводници. Между проводниците 2 разграждане възниква искра. самолети, номерът на проводника се съхранява електронно, напр. използвайки феритни пръстени, нанизани на всеки проводник и представляващи стандартен елемент от компютърната памет. След като събитието бъде регистрирано, цялата информация за задействаните позвънявания се чете в компютъра.
Електронни детектори. Сред електронните D. обширна група се състои от йонизация. Д. Наиб. най-простият от тях - йонизационната камера - представлява определен обем газ с поставени в него два електрода, между които се подава напрежение. Зареждане частицата, преминавайки през газа, образува йони и електрони, които се събират върху електродите, създавайки ток във веригата на камерата. Наиб. често използвани плоски и цилиндрични. електроди, където анодът е нажежаема жичка, а катодът е външен коаксиален цилиндър, който същевременно е тялото на камерата. Йонизация камери се използват както за регистрация на отд. частици и за измерване на интеграла. потоци. Предимства на йонизацията камери - простота, надеждност; недостатъкът е ниското ниво на сигнала, което се определя от броя на двойките йони и електрони, образувани в зареждащия газ. частица. Йонизация камерата има хоризонтален разрез на характеристиката ток-напрежение, съответстващ на пълната колекция от йони и електрони (фиг.).
Зависимост на амплитудата на импулсите, генерирани от йонизационни детектори, от напрежението на електродите при преминаване на бърза космическа частица през детектора, образуваща N10-20 двойки йони, и -частица, създаваща N= 10 5 двойки йони.
Ако продължим да увеличаваме потенциалната разлика селектроди, тогава електроните, движещи се към анода, ще придобиват все повече и повече енергия и, започвайки от определено напрежение, сами ще се йонизират. Чрез продължаване на увеличаването на потенциалната разлика е възможно да се постигнат условия, при които все повече и повече поколения електрони ще се йонизират и зарядът, събран на анода, ще бъде 10 3 -10 6 пъти по-висок от първичната йонизация. Тази област на стрес се нарича. пропорционална област и D. - пропорционален брояч (област на напрежение V1-V2). Характерна особеност на този район е, че при пост. потенциална разлика и коефициент на газов състав. пропорционалността между първичната йонизация и сигнала на анода остава постоянна.
Продължавайки да увеличаваме напрежението на електродите, ще преминем през областта на ограничена пропорционалност към района на Geiger (V2-V3), където зарядът, събран на анода на D., не зависи от първичната йонизация. Амплитудата на импулса в тази област ще зависи само от приложеното напрежение. Това е така, защото, независимо от първичната зародишна йонизация, електронната лавина се разпространява по цялата насрещна нишка и процесът завършва, когато анодното поле е напълно екранирано от облак от бавни импулси. йони. Недостатъкът на брояча на Гайгер е относително голямото мъртво време, което се определя от времето на дрейф на йони. Мъртвото време може да бъде намалено чрез прекъсване на разпространението на електронната лавина по нажежаемата жичка по пътя
1 см. Това се постига или чрез избор на смес от работни газове, или чрез въвеждане на механични. бариери или чрез електронна схема (виж брояч на Гайгер).
Напредъкът в областта на ядрената електроника и въвеждането на компютри в техниката на експеримента доведоха до създаването на система от нишковидни пропорционални броячи, обединяващи десетки хиляди единици. броячи. В това отношение стана възможно да се комбинират всички предимстваелектронен Д. с писта. Пространствената разделителна способност в този случай се определя от размера на div. брояч. По-нататъшният напредък в подобряването на пространствената разделителна способност на D. е свързан с появата на дрейфови камери. Тези устройства са подобрени пропорционални броячи, в които допълнително се измерва времето на дрейф на първичните електрони към нишката, което позволява значително (до части от mm) да подобри пространствената разделителна способност.
Йонизация Г. са играли и продължават да играят изключително важна роля в разкл. области на науката и технологиите. През 1970-те години развита йонизация. камера на втечнени инертни газове. Замяната на газообразната среда с течна направи възможно увеличаването на сигнала
10 3 пъти. Трудностите са свързани с необходимостта от работа при ниски температури и необходимостта от висока чистота на втечнения газ. Досега не е било възможно да се създаде течна йонизация. Г. с развитието на електронната лавина.
Наиб. близо до йонизация. камера според принципа на работа на полупроводников детектор, to-ry е йонизация. камера, в която ролята на газ се играе от полупроводников кристал. Semiconductor D. е бързо устройство, времето му за разрешаване
10 -9 s, надеждна работа, не се влияе от магнитни. полета; недостатък - относително малък обем D.
Специална група съставляват Д., при които се използва светлината, излъчвана при преминаване на заряда. частици през материята. Това са сцинтилационен детектор, брояч на Черенков и лазери с преходно лъчение. Основните елементи на сцинтилаторите. D. - сцинтилатор, в Krom преминаващ заряд. частицата предизвиква светкавица и фотоумножителна тръба (ФЕУ), която регистрира светкавицата. Висока времева разделителна способност на сцинтилаторите. Д. (
10 -9 s), голяма амплитуда на сигнала на изхода на PMT и кратко време за възстановяване (
10 -8 s) му осигури широко приложение.
В контра обвинението на Черенков. частица, движеща се със скорост, надвишаваща фазовата скорост на светлината в средата, излъчва светлина, свързана с посоката на движение (вижте радиация на Черенков-Вавилов). Тъй като излъчването на светлина възниква мигновено, времевата разделителна способност се определя от характеристиките на PMT. Количеството излъчена светлина, като правило, е десет пъти по-малко, отколкото в сцинтилаторите. D., но достатъчно за надеждна регистрация на частици.
В D. при преходно лъчение се появява светкавица по време на преминаването на заряд. частици през границата на две среди с рязко различни оптични. свойства (обикновено газът е твърдо вещество). В този случай интензитетът на светлината е пропорционален на енергията на частицата, но е малък (много по-малък, отколкото в случая на лъчение на Черенков). Следователно лазерите с преходно лъчение са направени многослойни; те съдържат стотици газово-твърди слоеве.
В модерните експериментален инсталационните проучвания, като правило, съдържат голям брой D. decomp. видове (вижте например Комбинирани детекторни системи).
Лит.: Принципи и методи за регистрация на елементарни частици. Comp. изд. Л. К--Л. Юан, У Джиен-сюн, прев. от англ., М., 1963; Питсън Д., Експериментални методи във физиката на високите енергии, прев. от англ., М., 1964; Калашникова В.И., Козодаев М.С., Детектори на елементарни частици, М., 1966; Алфа, бета и гама спектроскопия, изд. К. Зигбана, прев. от английски, c. 1 - 4, М., 1969: А. И. Абрамов, Ю. А. Казански, Е. С. Матусевич, Основи на експерименталните методи на ядрената физика, 3-то издание, М., 1985.