ДЕТЕКТОРИ ЗА ЧАСТИЦИ, наука и живот
Списанието е добавено в количката.
ДЕТЕКТОРИ ЗА ЧАСТИЦИ
След откриването на първата елементарна частица, електрона, в края на 19-ти век, в продължение на повече от сто години, физиците изобретяват все нови и нови инструменти за изследване на тези най-малки единици материя.
Най-лесно се откриват заредени частици, затова те са открити по-рано. Те се отделят от йонизационната следа, оставена от двойки електрон-йон по пътя им. Зад електрона, намерен в потока от лъчи на разрядната тръба, скоро бяха открити протон (ядрото на водороден атом), a-частица (ядрото на хелиев атом), ядрата на други елементи и цяла галактика от елементарни частици, от сравнително леки мезони до тежки хиперони и дори по-масивни частици, които включват тежки кварки (виж "Наука и живот" № 8, 1994).
Директната регистрация на неутралните частици е невъзможна: те не йонизират материята и се разкриват само в процеса на взаимодействие с образуването на заредени частици, които ги „осветяват“. Така са открити неутронът (на базата на протони на отката), гама квантът (на базата на двойки електрон-позитрон) и много други "неутрални".
Устройствата, които "улавят" частици се делят на две групи - броячи и камери.
Броячите фиксират факта на преминаване на частицата, определяйки момента на времето (понякога с висока, до наносекунди, 10-9 s, точност), количеството загубена енергия и ако съставляват "телескоп", свързан с електронна верига за съвпадение, тогава посоката на пристигането на частицата. Добре известни са газоразрядният брояч на Гайгер, който вярно служи във физиката петдесет години; пропорционален брояч, чийто сигнал служи като мярка за йонизационните загуби на частиците; семейство сцинтилационни броячи. В неорганични сцинтилатори (кристали на NaI, CsI и др.), техните органични (антрацен и др.) И пластмаса (полистирени др.) аналози под действието на заредени частици възникват светкавици на луминесценция. Това слабо сияние се усилва милиони пъти от фотоумножителните тръби (ФЕУ). Сцинтилационните броячи се появяват в средата на миналия век и се използват успешно и до днес.
Полупроводниковите броячи, чийто сигнал се формира от двойки електрон-дупка в полупроводниковия слой, са по-добри по чувствителност от сцинтилаторите. Най-добрите от тях са литиево-активирани германиеви кристали (Ge(Li)), които измерват енергията на частиците с точност от 0,1%, но имат ограничен размер и изискват дълбоко охлаждане. Широко използваните през последните години лентови детектори са вид полупроводникови броячи под формата на тесни силициеви ленти върху твърда подложка. Техните взаимно перпендикулярни слоеве позволяват точно измерване на координатите на частиците cy от десетки микрони.
Йонизационната камера, един от най-старите детектори, е по същество брояч, който измерва общия заряд, създаден от частица в резултат на йонизация. Различните му модификации (газ, течност) все още се използват за измерване на енергията на частиците и техните лъчи, особено често в дозиметрията. Ксеноновата камера с високо налягане, малко по-ниска в енергийната разделителна способност на кристалите Ge (Li), не е ограничена по размер и не изисква охлаждане, което е особено ценно за настройка на експерименти върху сателити.
Още по-чувствителни са броячите на Черенков, които улавят кохерентното излъчване на частица, движеща се със скорост, по-голяма от скоростта на светлината в среда. Последното им постижение са т. нар. RICH детектори (ring imajing Cherenkov), които "виждат" не отделни фотони, а целия пръстен от Черенкова светлина, което дава възможност да се измерват много свойства на регистрираната частица. TRD детекторите също принадлежат към този клас детектори.(детектор на преходно лъчение), броячи на преходно лъчение, което възниква, когато заредена частица пресече границата на две среди. Те отделят ултрарелативистични частици (чиято скорост е много близка до скоростта на светлината) в огромен поток от частици и все повече се използват във високоенергийни ускорители.
Ансамбълът от броячи, поставен в потока от регистрирани частици, образува т. нар. инсталация на ходоскоп, която позволява да се проследи пътя на всяка отделна частица, а поставена в магнитно поле, да се измери нейният импулс и знак на заряд. Броячите са преплетени с калориметри - устройства, които измерват енергиите на частиците чрез потока от електрони, позитрони и фотони, образувани от тях в материята. Броячите, включени в "системата за време на полет", измерват скоростта на частицата. Съвременните инсталации на ускорители, наброяващи хиляди броячи, дават пространствена картина на събитието - раждането на много вторични частици, техните разпадания и взаимодействия, възникващи, когато ускорена частица удари цел.
Камерите или детекторите за следи са устройства за проследяване на траекторията на заредена частица с всички вторични продукти. Първият детектор за следи беше добре познатата облачна камера (в чуждестранна литература - "камера за мъгла"). Принципът на неговото действие е образуването на капчици мъгла върху йонизационната следа на частица в преохладена пара след рязко освобождаване на налягането. Облачна камера, поставена в магнитно поле, се превърна в един от основните физически инструменти в началото на миналия век; експериментите с него доведоха до много фундаментални открития.
По-късно ролята на лидер в измервателната технология преминава към мехурчестата камера, в която следите от частици създават микроскопични газови мехурчета в прегрята течност. Камерите с мехурчета, особено напълненитечен водород (протонни мишени), допринесе за получаване на изключителни резултати в експерименти с ускорители. Известната камера за течен водород Mirabell (най-голямата в света) работи на много ускорители, включително синхрофазотрона на IHEP (Протвино). Недостатъците на термодинамичните камери (Wilson, балон) са ниската скорост и невъзможността за автоматизиране на данните, което се превърна в забележима пречка след въвеждането на компютър като контролен и обработващ център в експеримента.
Специално място заема фотографска емулсионна камера (развитието на метода на ядрена фотографска емулсия) - рекордна промяна в точността на измерване на координатите (до 1 микрон), но напълно неподходяща за работа с броячи и компютър. Данните от него трябва да се обработват ръчно.
Той беше заменен от електрически разрядни устройства, които рязко повишиха ефективността на използването на ускорителни лъчи (поради скоростта и възможността за "докинг" с броячи на частици): искра и тяхното разнообразие - стримерни камери. Искри и стримери - вериги от отделни разряди - следват йонизационната следа с висока точност, дори имат формата на дъга, когато частица се движи в магнитно поле. Различни видове искрови и стримерни камери бяха използвани във важни експерименти, но многожичните камери - пропорционални, дрейфови и други модификации - бяха все още по-гъвкави и гъвкави, отговаряйки на съвременните изисквания.
Регистрацията на неутралните частици се извършва по същите методи като за заредените частици (броячи + камери), само като се вземе предвид фактът, че те трябва първо да създадат заредени частици.
Специално място заемат детекторите на неутрино - частици, които не участват нито в силни, нито в електромагнитни взаимодействия. Проникващата способност на неутриното е колосална, техният поток можеда премине слой олово в хиляди астрономически единици. Вероятността за тяхното взаимодействие с материята е много порядъци по-малка от тази на заредените частици. Поради тази причина инсталациите за регистриране на неутрино трябва да са големи и да тежат хиляди тонове. За да се намали фона от външни заредени частици, детекторите за неутрино се разполагат под голяма дебелина на материята (подземни и подводни инсталации). Широко известни са детекторите за слънчеви неутрино - Homestake (хлор-аргонов детектор Дейвис, САЩ), Kamiokande (Япония), както и българският галий-германиев детектор в Баксан и Байкалската инсталация в прозрачните води на известното езеро (виж "Наука и живот" № 8, 1994 г.).
Илюстрация "Гайгеров брояч".В стъклена тръба, пълна с газ при налягане 100–200 mm Hg. Чл., се поставят два електрода - анод под формата на тънка нишка и цилиндричен катод на стената на тръбата, към който се подава постоянно напрежение от няколкостотин волта. Когато заредена частица влезе в тръбата, газът се йонизира. Свободните електрони се движат с ускорение към анода, предизвиквайки вторична йонизация на газа. Получава се разряд, предизвикващ появата на електрически импулс.
Илюстрация "Сцинтилационен брояч".Когато заредена частица навлезе в сцинтилатор (кристал, кювета с течност или слой пластмаса), в нея възниква слаба светкавица. Неговата светлина през световода навлиза във фотоумножителя, който генерира електрически импулс, чиято амплитуда е пропорционална на загубата на енергия от падащата частица.
Илюстрация "Черенковски броячи на неутринен детектор (Лос Аламос, САЩ)".167 тона минерално масло със сцинтилаторна добавка се изсипват в контейнера. Когато неутриното взаимодействат с атомите на материята, се образуват електронивисока енергия, чиято скорост е по-голяма от скоростта на светлината в средата. Когато се движат, се появява сияние, разпространяващо се под формата на конус. Регистрира се от 1220 фотоумножителя по съдовите стени.
Илюстрация "Камера на Уилсън".Съд със стъклен капак и бутало на дъното се пълни с наситени пари от вода, алкохол или етер. Докато буталото се спуска, поради адиабатното разширение, изпаренията се охлаждат и стават пренаситени. Заредена частица, преминаваща през камерата, оставя верига от йони по пътя си. Парата кондензира върху йоните, което прави видима следата от частицата.
Илюстрация "Камера с мехурчета".Контейнерът е пълен с добре пречистена течност. В течността няма центрове за образуване на пари, така че тя може да бъде прегрята над точката на кипене. Но преминаващата частица оставя след себе си йонизирана следа, по която течността кипи, маркирайки траекторията с верига от мехурчета. Съвременните камери използват течни газове - пропан, хелий, водород, ксенон, неон и др. На снимката: балонна камера, проектирана във ФИАН. 1955–1956
Илюстрация "Принцип на работа на първата облачна камера".Топчета 2 и 3 са окачени на нишка 1. Нишката е изгорена, като едновременно с това се отваря клапан 4. Топките, падайки, затворени в последователни контакти 5 и 6, свързани към източници на високо напрежение - батерии на буркани Leyden. Рентгеновата тръба 7 беше включена, йонизирайки газа в камерата с излъчването си и след стотни от секундата в искрова междина 8 се появи искра, осветяваща следите. Те са заснети от камера 9. Така преди почти сто години започват изследванията на микросвета.
Илюстрация „Модерно устройство за откриване на елементарни частици ATLAS“.Модерно устройство за откриване на елементарни частици ATLAS, създадено отда работи в Големия адронен колайдер LHC (Large Hadron Collider), който се изгражда в Центъра за европейски ядрени изследвания (CERN) в Женева. Тази гигантска сграда, висока колкото осеметажна сграда, съдържа оборудване за записване на взаимодействията на адроните – елементарни частици, участващи в така нареченото силно взаимодействие. Това са мюонни детектори 1, детектор за преходна радиация 8, електромагнитни и адронни калориметри 3, 4, 7, огромни свръхпроводящи магнити 2, 5, 9. Детекторите са покрити с мощен слой радиационна защита 6. Всички устройства са направени с точност до 100 микрона, те трябва да работят синхронно в условия на силни полета и потоци от фотони и неутрони с денс ност от 107 cm2/s в продължение на много години. ATLAS регистрира всички частици, влизащи в детектора от всякакъв ъгъл, като едновременно с това фиксира техните характеристики. Основата на цялата инсталация е детектор на преходна радиация, предназначен да открива следи от ултрарелативистични частици и да ги класифицира чрез рентгеново лъчение, възникващо, когато пресичат границата на две среди (тук въздух-полипропилен), феномен, открит през 1950 г. от V. L. Ginzburg и I. M. Frank. Детекторът се състои от 400 000 тръби с диаметър 4 mm с четирислойни стени с дебелина 28 микрона. Според принципа на действие те приличат на брояч на Гайгер: тръбата е пълна с газова смес, по оста й преминава тънък проводник с напрежение +1500 V. Частицата йонизира газа, електронът се отклонява към жицата (анод). Полученият сигнал се разчита от високоскоростно оборудване, което фиксира времето на пристигане и координатата с точност от около 1 ns и 100 микрона. Целият детектор заема обем от няколко кубически метра и дава възможност за регистриране и разпознаване на "видове" от около 10 милиарда частици всяка секунда.