Студент гр. 21302 Стрелков Анатолий Николаевич

Вид материала

Доклад

Содержание Виды детекторов заряженных частиц. Пропорциональный счетчик. Ионизационная камера. Полупроводниковый детектор. Пузырьковая камера. Ядерные эмульсии. Искровая камера. Стриммерная камера. Пропорциональная камера. Дрейфовая камера. Сцинтилляционный детектор.

Подобный материал:

• Куклин Анатолий Николаевич: биобиблиографический указатель, 685.57kb.
• Алёхин Анатолий Николаевич (доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой, 393.89kb.
• Баранов Анатолий Николаевич Введение в прикладную лингвистику: учебное пособие, 185.09kb.
• Литература до 2005 г, 164.44kb.
• Тимофеев Анатолий Николаевич, первый заместитель генерального директора ОАО «Композит»,, 159.18kb.
• А. И. Герцена психолого-педагогический факультет методологический семинар, 1499.2kb.
• Студент Борзов Андрей Николаевич Преподаватель Терещенко Пётр Васильевич Дата 23 декабря, 237.02kb.
• Децина Анатолий Николаевич родился 10 июня 1941 г в г. Владивостоке. В 1965 году закон, 706.86kb.
• Шевчук Анатолий Николаевич процессуальные гарантии прав личности при осуществлении, 3146.51kb.
• И в задачах рационального природопользования Сопредседатели: Кремлев Андрей Николаевич, 29.8kb.

Петрозаводский Государственный Университет.

Доклад

Тема:





Выполнил: студент гр. 21302 Стрелков Анатолий Николаевич.


Петрозаводск 2004.

Содержание.

1. Введение……………………………….……………3.

2. Взаимодействие с веществом…………......3.

3. Виды детекторов заряженных частиц…...3.

• Счётчик Гейгера…………………....….…..…………3.
  

• Пропорциональный счетчик……..…...…..………...4.
  

• Ионизационная камера…………….....……..……….4.
  

• Полупроводниковый детектор…..…………………4.
  

• Камера Вильсона……………..………...…….……....5.
  

• Пузырьковая камера…………..….…..……….…….6.
  

• Ядерные эмульсии……………………..…….……….6.
  

• Искровая камера……………………....….…..………7.
  

• Стриммерная камера………………..……..…..…….7.
  

• Пропорциональная камера………..………………...7.
  

• Дрейфовая камера…………………..………………..7.
  

• Сцинтилляционный детектор……..………………..8.
  

• Калориметры……………………………..…………...8.
  

Введение.

ДЕТЕКТОРЫ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ─ приборы для регистрации частиц, имеющих какой-либо электрический заряд. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить её энергию, импульс, траекторию движения частицы и др. характеристики.


Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации (отрыве электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд) или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.


Основное требование к чувствительному веществу детекторов, основанных на ионизации, состоит в том, чтобы ионы, создаваемые заряженной частицей, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики.


Взаимодействие заряженных частиц с веществом.


Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

Виды детекторов заряженных частиц.

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. Однако 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 103 - 106 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. Однако, по сравнению с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. В зависимости от требований 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 определенным образом созданная чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию о количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. И, 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


Nион = E/W, где E - кинетическая энергия частицы, W - энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Для германия и кремния W ~ 3-4 эВ и равна энергии необходимой 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).



Рис. 1. Полупроводниковый детектор.

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. 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.


Камеру Вильсона можно поместить в магнитное поле. Такой прибор является одним из видов масс-спектрографа. В магнитном поле треки частиц будут представлять собой дуги окружностей. Частицы с различными зарядами и (или) массой будут двигаться по различным траекториям. По их виду можно определить параметры частицы.




Рис.2. Камера Вильсона.

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, 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.

7. Ядерные эмульсии.
   

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. Большие потоки ионизирующего и неионизирующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.


Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

8. Искровая камера.
   

Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).


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 ~10-8с. Поэтому 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 микросекунд. 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.
    

Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтиллировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, 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.




Рис. 2. Сцинтилляционный счётчик регистрирует частицы по световому излучению, вызываемому ими в кристалле. Часть светового излучения попадает в световод. Свет выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя электроны, которые ускоряются и умножаются системой его динодов, создавая ток, который дополнительно усиливается.

13. Калориметры.
    

Калориметры представляют собой чередующиеся слои вещества, в котором тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои железа и свинца) и детекторы, в качестве которых используют искровые и пропорциональные камеры или слои сцинтилляторов. 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 сцинтилляторов, можно определить энергию и тип частицы.