В начале XX в. были разработаны методы исследования явлении атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов.

Трудность создания таких приборов заключалась в том, что используемые в экспериментах заряженные частицы представляют собой ионизированные атомы каких-либо элементов или, например, электроны, и прибор должен регистрировать попадание в него лишь одной частицы или делать видимой траекторию ее движения.

В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка - сцинтилляция (от латинского «сцинтилляцио» - сверкание, вспышка).

Первый основной прибор для регистрации частиц был изобретен в 1908 г. Г. Гейгером. После того, как этот прибор был усовершенствован В. Мюллером, он мог подсчитывать число попадающих в него частиц. Действие счетчика Гейгера - Мюллер, а основано на том, что пролетающие через газ заряженные частицы ионизируют встречающиеся на их пути атомы газа: отрицательно заряженная частица, отталкивая электроны, выбивает их из атомов, а положительно заряженная частица притягивает электроны и вырывает их из атомов.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, диаметром около 3 см (рис. 37.1), с окном из тонкого стекла или алюминия. По осп цилиндра проходит изолированная от стенок металлическая нить. Цилиндр (камера) заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между стенками цилиндра и нитью создается напряжение порядка 1500 В, недостаточное для образования самостоятельного разряда. Нить заземляется через большое сопротивление R. При попадании в камеру частицы с большой энергией происходит ионизация атомов газа на пути этой частицы, и между стенками и нитью возникает разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R, и напряжение между нитью и стенками сильно уменьшается. Поэтому разряд быстро прекращается. После прекращения тока все напряжение вновь сосредоточивается между стенками камеры и нитью, и счетчик подготовлен к регистрации новой частицы. Напряжение с сопротивления R подается на вход усилительной лампы, в анодную цепь которой включается счетный механизм.

Способность частиц большой энергии ионизировать атомы газа используются и в одном из самых замечательных приборов современной физики - в камере Вильсона. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно было видеть и фотографировать траектории заряженных частиц.

Камера Вильсона (рис. 37.2) состоит из цилиндра с поршнем; верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала. В камеру вводится небольшое количество воды или спирта, и внутри нее образуется смесь паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере оказывается пересыщенным парами.

Если воздух очищен от пылинок, то превращение избытка пара в жидкость затруднено из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому, если через камеру пролетает в это время заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получается отмеченной нитью тумана, т. е. становится видимой. Тепловое движение воздуха быстро размывает нити тумана, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.

Вид траектории на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный след. Одна из фотографий альфа-частиц в камере Вильсона показана на рис. 37.3.

Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.

Как говорилось выше, в камере Вильсона для получения следов частиц используется конденсация пересыщенного пара, т. е. превращение его в жидкость. Для этой же цели можно использовать обратное явление, т. е. превращение жидкости в пар. Если жидкость заключить в замкнутый сосуд с поршнем и при помощи поршня создать повышенное давление, а затем резким перемещением поршня уменьшить давление в жидкости, то при соответствующей температуре жидкость может оказаться в перегретом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т. е. делается видимой. На этом принципе основано действие пузырьковой камеры.

При изучении следов частиц с большой энергией пузырьковая камера удобнее камеры Вильсона, так как при движении в жидкости частица теряет значительно больше энергии, чем в газе. Во многих случаях это позволяет значительно точнее определить направление движения частицы и ее энергию. В настоящее время имеются пузырьковые камеры диаметром около 2 м. Они заполняются жидким водородом. Следы частиц в жидком водороде получаются очень отчетливыми .

Для регистрации частиц и получения их следов служит также метод толстослойных фотопластинок. Он основан на том, что пролетающие сквозь фотоэмульсию частицы действуют на зерна бромистого серебра, поэтому оставленный частицами след после проявления фотопластинки становится видимым (рис. 37.4) и его можно исследовать с помощью микроскопа. Чтобы след был достаточно длинным, используются толстые слои фотоэмульсии.

Все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц основано на их свойстве производить ионизацию и и возбуждение атомов. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы, подобно заряженному ружью со взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии курка вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием – выстрел.

Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находится в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу.

Сцинтилляционный счетчик В 1903 г. У. Крупс заметил, что α-частицы, испускаемые радиоактивным препаратом, попадая на покрытый сернистым цинком экран, вызывают свечение. Устройство было использовано Резерфордом, только наблюдение велось через микроскоп. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью сцинтилляционных счетчиков.

Полупроводниковый счетчик Представляет собой плоский полупроводниковый диод, включенный в цепь вне пропускном режиме. Заряженная частица, проходя через p-n переход, вызывает кратковременный ток через него, что и регистрируется соответственными приборами.

Камера Вильсона Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Пузырьковая камера Плотность рабочего вещества камеры Вильсона мала, поэтому длина пробега заряженной частицы в ней - велика, что очень неудобно для высокоэнергичных частиц. Поэтому сейчас используют пузырьковую камеру. В ней рабочим веществом является перегретая жидкость (она находится при температуре выше чем точка кипения). Заряженная частица ионизирует атомы жидкости, которые становятся центрами парообразования. На пути частицы образуются пузырьки пара, которые образуют ее след (трек). По треку можно узнать энергию частицы и ее удельный заряд (нужно смотреть все в магнитном поле).

Фотоэмульсионный метод Наиболее дешевым методом регистрации ионизирующего излучения является фотоэмульсионный (или метод толстослойных эмульсий). Он базируется на том, что заряженная частица, двигаясь в фотоэмульсии, разрушает молекулы бромида серебра в зернах, сквозь которые прошла. После проявления такой пластинки в ней возникают «дорожки» из осевшего серебра, хорошо видимые в микроскоп. Каждая такая дорожка это след движущейся частицы. По характеру видимого следа (его длине, толщине и т. п.) можно судить как о свойствах частицы, которая оставила след (ее энергии, скорости, массе, направлении движения), так и о характере процесса (рассеивание, ядерная реакция, распад частиц), если он произошел в эмульсии.

Этот метод имеет такие преимущества: 1. Им можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения; 2. Фотопластинка всегда готова для применения (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние); 3. Эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью; 4. Он дает неисчезающий след частицы, который потом можно тщательно изучать.

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).

Название метода		Принцип действия
	Свечение (люминесценция)	Радиоактивный препарат испускает волны, благодаря которым происходит столкновение частиц и могут наблюдаться отдельные свечения.
	Ионизация молекул газа быстрыми заряженными частицами	Опускает с большой скоростью поршень, что приводит к сильному охлаждению пара, который становится перенасыщенным. Капельки конденсата указывают на траектории движения цепочки ионов.
Пузырьковая камера	Ионизация жидкости	Объем рабочего пространства наполнен горячим жидким водородом или пропаном, на которые воздействуют под давлением. Доводят состояние до перегретого и резко уменьшают давление. Заряженные частицы, воздействуя еще большей энергией, заставляют водород или пропан закипеть. На той траектории, по которой двигалась частица образовываются капельки пара.
Метод сцинтилляций (Спинтарископ)	Свечение (люминесценция)	Когда молекулы газа ионизируются, возникает большое количество электронно-ионных пар. Чем больше напряженность, тем больше возникает свободных пар, пока не достигнет пика и не останется ни одного свободного иона. В этот момент счетчик регистрирует частицу. Это один из первых экспериментальных методов исследования заряженных частиц, и был изобретен на пять лет позже счетчика Гейгера - в 1912 году. Строение простое: стеклянный цилиндр, внутри - поршень. Внизу постелена черная ткань, пропитанная водой и спиртом, благодаря чему воздух в камере насыщен их парами. Поршень начинают опускать и поднимать, создавая давление, в результате чего газ остывает. Должен образоваться конденсат, но его нет, поскольку в камере отсутствует центр конденсации (ион или пылинка). После этого колбу приподнимают для попадания частички - иона или пыли. Частица начинает движение и по ее траектории образовывается конденсат, который можно увидеть. Путь, который проходит частица, называется трек. Недостатком такого метода является слишком маленький пробег частиц. Это привело к появлению более прогрессивной теории, основанной на устройстве с более плотной средой. Пузырьковая камера Аналогичный принцип действия камеры Вильсона имеет следующий экспериментальный метод исследования частиц - Только вместо насыщенного газа, в стеклянной колбе находится жидкость. Основа теории такова, что под высоким давлением жидкость не может начать кипеть выше точки закипания. Но как только появляется заряженная частица, по треку ее движения жидкость начинает закипать, переходя в парообразное состояние. Капельки этого процесса фиксируются камерой. Метод толстослойных фотоэмульсий Вернемся к таблице по физике "Экспериментальные методы исследования частиц". В ней, на ряду с камерой Вильсона и пузырьковым методом, рассматривался способ регистрации частиц с помощью толстослойной фотоэмульсии. Впервые эксперимент был поставлен советскими физиками Л.В. Мысовским и А.П. Ждановым в 1928 году. Идея очень проста. Для опытов используют пластину, покрытую толстым слоем фотоэмульсий. Эта фотоэмульсия состоит из кристалликов бромида серебра. Когда заряженная частица пронизывает кристаллик, она отделяет от атома электроны, которые образуют скрытую цепочку. Ее можно увидеть, проявив пленку. Полученное изображение позволяет рассчитать энергию и массу частицы. На самом деле, трек получается очень коротким и микроскопически маленьким. Но метод хорош тем, что проявленный снимок можно увеличивать бесконечное число раз, тем самым лучше изучая его. Метод сцинтилляций Впервые его провел Резерфорд в 1911 году, хотя идея возникла немного раньше и у другого ученого - У. Крупе. Несмотря на то, что разница составляла 8 лет, за это время пришлось усовершенствовать прибор. Основной принцип состоит в том, что на экране, покрытом люминесцирующим веществом, будут отображаться вспышки света при прохождении заряженной частицы. Атомы вещества возбуждаются при воздействии на них частицы с мощной энергией. В момент столкновения происходит вспышка, которую наблюдают в микроскоп. Этот метод очень непопулярен среди физиков. У него есть несколько недостатков. Первое, точность полученных результатов очень сильно зависит от остроты зрения человека. Если моргнуть - можно пропустить очень важный момент. Второе - при длительном наблюдении очень быстро устают глаза, и поэтому, изучение атомов становится невозможным. Выводы Существует несколько экспериментальных методов исследования заряженных частиц. Поскольку атомы веществ настолько маленькие, что их тяжело увидеть даже в самый мощный микроскоп, ученым приходится ставить различные опыты, чтобы понять, что находится в середине центра. На данном этапе развития цивилизации проделан огромный путь и изучены самые недоступные взору элементы. Возможно, именно в них кроются тайны Вселенной.

62. Методы регистрации заряженных частиц. Источники заряженных частиц. Ускорители.

Источники частиц: Радиоактивные препараты, космические лучи, ядерные реакторы, ускорители, вторичные пучки, получаемые при бомбардировке мишеней.

Радиоактивные препараты: естественные - K 40 ; U 238 ; U 235: Th 232 , искусственные, получаемые на ускорителях (Е~ 10 Мэв).

Космическое излучение. Открыто Гессом (1912 г). Первичное: р(90%), α(7%), тяжелые ядра(1,2%), электроны (1,5%). Средняя энергия 10 10 Эв, максимальная до 10 20 Эв. В 1932 г в космических лучах открыт позитрон. Всего в космических лучах было открыто 10 неизвестных ранее частиц.

Ядерные реакторы. Мощный источник нейтронов (10 19 част./м 2 ·с). Является мощным источником нейтрино (Коуэн, Рейнс; 1953 – 1956 гг) и античастиц.

Ускорители. Формируются пучки с энергиями частиц 10 – 100 Мэв; в перспективе до 10 3 Гэв.

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Регистрация элементарных частиц осуществляется макроскопическими приборами, основанными на взаимодействии их с веществом.

При прохождении частиц через вещество, находящееся в определенных условиях, заряженные частицы и гамма- кванты способны:

1. Ионизировать вещество,

2. Вызывать фрюоресценцию,

3. Вызывать черенковское свечение.

Существующие приборы для регистрации элементарных частиц делятся на счетчики и следовые регистраторы (таблица 1).

К счетчикам относятся газоразрядные счетчики, люминисцентные (сцинтилляционные) счетчики, полупроводниковые счетчики, черенковские счетчики, ионизационные камеры.

К следовым регистраторам относятся: камера Вильсона, толстослойные фотоэмульсии, пузырьковая камера, искровые и стримерные камеры.

С помощью счетчиков регистрируется количество прошедших частиц через его рабочее вещество в определенный момент времени. Кроме того, в некоторых типах счетчиков могут определяться и некоторые характеристики частиц: энергия, заряд, масса, скорость. Счетчики характеризуются: эффективностью – это отношение числа зарегистрированных частиц к полному числу частиц, прошедших через счетчик; разрешающей способностью – это наибольшее число частиц, которое способен зарегистрировать счетчик в единицу времени (для различных счетчиков 10 3 – 10 10 частиц в секунду); разрешающим временем (связано с разрешающей способностью) – промежуток времени, через который счетчик способен регистрировать новую частицу после регистрации предыдущей; разрешающей способностью по энергиям.

Ионизационная камера (рис.1) .

Представляет замкнутый сосуд (цилиндрический, сферический в зависимости от решаемых задач) с окошком, закрытым тонкой металлической фольгой, заполненный газом (обычно аргоном) под определенным давлением.

В объеме этого сосуда помещается два электрода, к которым подключается напряжение (100 – 1000 В). Через окошко в камеру попадают регистрируемые частицы. Попавшие в камеру быстрые заряженные частицы ионизируют газ, т.е. в нем создаются свободные электроны и положительные ионы. Если частица имеет энергию Е, то она образует Е/Е 0 пар ионов. Е 0 – средняя энергия, затрачиваемая на образования одной пары ионов. Образованные электроны и ионы под действием электрического поля движутся к электродам, создается электрический ток, по которому происходит регистрация, влетевших в камеру частиц.

Для регистрации отдельных частиц ионизационная камера должна работать в режиме газового усиления. Для определения этого напряжения снимается вольт - амперная характеристика (зависимость I от U) при постоянной интенсивности ионизирующего излучения (например, космического излучения или стандартного источника радиоактивного излучения).

На рис.2 приведена типичная вольтамперная характеристика ионизационной камеры. При малых напряжениях между анодом и катодом не все ионы достигают электродов, часть их взаимно нейтрализуются (рекомбинируют). Чем выше напряжение, тем большее число ионов

попадает на электроды. На участке ОА сила тока возрастает почти пропорционально напряжению. В точке В наступает насыщение и на участке ВС увеличение напряжения не вызывает заметного роста тока, т.к. все возникшие ионы доходят до электродов не испытывая рекомбинации. Участок ВС называется режимом ионизационной камеры.

На участке СД с увеличением напряжения сила тока снова увеличивается. Возникает, так называемое, газовое усиление. В этом интервале напряжений число пар ионов увеличивается вследствие вторичной ионизации. Если влетающая заряженная частица создает n 0 пар ионов, то вследствие вторичной ионизации образуются kn 0 пар ионов. Величина k носит название коэффициента газового усиления. В режиме газового усиления (при напряжениях участка СД) ионизационная камера работает в качестве счётно–ионизационной камеры, предназначенной для регистрации отдельных заряженных частиц. Эффективность ионизационной камеры, практически, стопроцентная. При дальнейшем увеличении напряжения происходит электрический пробой. Обычно ионизационная камера работает в режиме тока насыщения в качестве интегрирующей ионизационной камеры, предназначенной для измерения интенсивности потока частиц - это энергия, переносимая частицами через единицу площади в единицу времени Ф=Е/St, где Е – энергия, S – площадь окна, t - время.

Если I нас – сила тока насыщения, то интенсивность потока Ф можно выразить через силу тока насыщения I нас.

I нас =Q/t; Q=E 0 Nq/W=Eq/W; I нас =Eq/tW; E=WtI нас /q; Ф=WI нас /qS=χI нас.

Здесь Е 0 – энергия влетевшей частицы, W – энергия образования одной пары ионов, q – заряд одной пары ионов, S- площадь окна, χ – постоянная.

Пропорциональные счетчики. При напряжениях в интервале СД происходит газовое усиление. В начале участка коэффициент усиления k есть величина постоянная и не зависит от числа первоначальных ионов n 0 , образованных внешней частицей. Область напряжений газового усиления, в которой k не зависит от n 0 , и используется в пропорциональных счетчиках. Такой счетчик регистрирует не только падающую в счетчик частицу (по импульсу тока), но может измерять и ее энергию. Действительно, если падающая в счетчик частица образует n 0 пар ионов, число которых пропорционально энергии влетевшей частицы, то число kn 0 , пришедших на электрод ионов будет пропорционально энергии влетевшей частицы. Поэтому и величина ионизационного тока, возникающего при прохождении частицы через счетчик, так же пропорционально энергии.

Длительность разряда в пропорциональном счетчике, обусловленного попаданием одной частицы, определяется скоростью достижения всеми образовавшимися ионами электродов и составляет порядка 10 -4 с. коэффициент газового усиления достигает 10 2 – 10 3 . Давление газа в счетчике от нескольких сотен мм Нg до нескольких атмосфер.

Сцинтилляционные счетчики. Принцип действия основан на том, тчо в ряде веществ ZnS, NaI падающие в них ионизирующие частицы вызывают люминисцентные вспышки видимого света (сцинтилляции) за счет перехода возбужденных ионизирующим излучением атомов, молекул кристалла в невозбужденное состояние.

Световые вспышки преобразуются в электрические сигналы фотоумножителем (рис.3).

Фотоны вспышки попадают на прилегающий к кристаллу фотокатод фотоумножителя выбивают из него фотоэлектроны. Электроны,

последовательно

(с 1-го на 2-ой и т.д.) попадая на промежуточные электроды – диноды, с последовательно увеличивающимся потенциалом, выбивают на каждом последующем в 5 – 10 раз больше электронов по сравнению с числом на него падающих. Проходящий в цепи электрический ток создает импульс тока, который далее усиливается и передается на пересчетное устройство. Сцинтилляционные счетчики в настоящее время широко используются в экспериментальной и ядерной физике. Они являются высокоэффективными (~100%), с коротким разрешающим временем ~10 -9 с. Пригодны как для регистрации заряженных частиц, так и γ- квантов.

Полупроводниковые счетчики. Рабочим элементом полупроводниковых счетчиков является полупроводниковая пластинка – полупроводниковый детектор. Принцип действия их основан на том, что частица, проникающая в полупроводник, создает в нем большое число носителей тока – электронов проводимости и дырок. На пластинку с двух сторон наносятся металлические электроды, на которые подается напряжение. Под действием созданного электрического поля электроны и дырки перемещаются к электродам, в результате в электрической цепи, соединенной с полупроводниковым детектором возникает импульс тока. Импульс тока преобразуется в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна выделенной энергии влетевшей частицы в полупроводник.

Для создания пары электрон- дырка в полупроводнике необходима энергия E 0 ~3 эВ, в газах Е 0 ~30 эВ, в сцинтилляторе ~300 эВ. При одинаковом энерговыделении влетающей частицы в полупроводнике создается в 10 раз больше носителей заряда, чем в газовой ионизационной камере. Для надежного измерения импульса тока, связанного с прохождением в полупроводнике влетевшей частицы, необходимо чтобы темновой ток в отсутствие ионизации был мал. А это означает, что полупроводник должен обладать высоким удельным сопротивлением ρ.

Время жизни носителей заряда τ должно быть много больше времени сбора ∆t заряда на электроды (иначе произойдет рекомбинация и сбор будет не полным). В полупроводниках, используемых для полупроводниковых детекторов (Si, Ge, CdSe, GaAs, HgI 2) время жизни свободных электронов и дырок т составляет несколько мс. Скорость сбора носителей v или время их сбора определяется подвижностью носителей заряда μ и напряженностью электрического поля Е: v =μЕ. В случае однородного электрического поля ∆t=Д/v, где Д – толщина чувствительной области полупроводника.

В природе не существует веществ, которые имели бы значения ρ, μ, τ, ε сразу необходимые для полупроводниковых детекторов. Полупроводники обладают нужными μ, τ, ε, но их сопротивление ρ (даже при высокой степени очистки от примесей) оказывается ниже требуемого для обеспечения малого темнового тока.

Необходимые условия реализуются в области р-nперехода, обедненной носителями, где ρ на несколько порядков выше, чем вне перехода (рис.4).

О
бычно толщина р-n перехода Н, обедненная носителями заряда, - чувствительная область полупроводникового детектора мала (<10 -4 см).

Рис.4. Практического значения такой p-n переход не представляет, т.к. пробег R заряженных частиц, существенно больше и в области р-n перехода выделяется малая часть энергии влетевшей частицы. Для увеличения Н на р-n переход подается обратное смещение U, которое увеличивает размер обедненной области (в n- полупроводнике его заряды отодвигаются против поля, в р- полупроводнике его положительные заряды отодвигаются по полю). Толщина обедненной области от 10 мкм до 5 мм, обратное напряжение от 10 до 500 В.

Схема включения кристаллического детектора показана на рис.5. Входное окно детектора делается тонким (20 –100 мкг/см 2)и падающие частицы теряют в нем малую долю энергии.

Если положить, что собирание зарядов будет полным, то собираемый на электродах заряд Q=Nе (N- число образованных пар носителей, е- заряд электрона) с высокой степенью точности будет пропорционален энергии первичной частицы (при одновременно движении электрона и дырки полный переносимый заряд равен одному электрону, но не двум).

Время собирания заряда в типичном случае: Н=100 мкм; μ= 10 3 см 2 /В·с; Е=10 3 В/см составляет величину порядка 10 -8 – 10 -9 с.

Счетчики Гейгера – Мюллера. Работа многих приборов, регистрирующих радиоактивные излучения, основана на способности радиоактивных излучений ионизировать газ. Одним из таких приборов является газоразрядный счетчик Гейгер – Мюллера. Счетчик Гейгера – Мюллера представляет герметизированную, наполненную до определенного давления смесью газов, камеру (стеклянный или металлический баллон) с двумя электродами: внешний К- катод и внутренний А- анод (рис. 6).

Катодом служит либо сам металлический баллон, либо проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона. Анодом служит, изолированная от катода, тонкая металлическая нить, натянутая внутри баллона вдоль его оси. На практике чаще применяются цилиндрические и торцовые счетчики.

Торцовые счетчики имеют входное окно О в торце корпуса. Окно счетчика изготавливают из тонкой органической пленки или тонкой пластинки слюды. Торцовые счетчики используют для регистрации альфа и бета частиц. Для регистрации гамма квантов применяют обычно цилиндрические счетчики со стальным (СТС), вольфрамовым (ВАС) или медным (МС) катодом (с толщиной стенок ~1 мм). Цилиндрические счетчики для регистрации бета частиц изготавливаются с тонкими стенками алюминиевые (АС) с толщиной стенок 35 – 40 мг/см 2 ил из нержавеющей стали СТС 40 – 60 мг/см 2 .

В качестве наполняющих газов счетчика чаще используются благородные газы: аргон, неон, иногда азот и водород. К основному наполнителю добавляют или многоатомные пары органических веществ: пары спирта, этилен, метилен и др., или галоиды: Cl 2 , Br 2 ,I 2 , служащие для гашения разряда. Суммарное давление примерно 100 мм рт. ст.

Газоразрядные счетчики Гейгер – Мюллера работают при напряжениях области Гейгера и, в зависимости от типа счетчика может иметь значение от 300 до 1600 В.

Если ионизирующая частица попадает в пространство между электродами счетчика, то она вызывает ионизацию газа – создаются электроны и положительные ионы. При движении электронов к аноду вследствие вторичных процессов (ионизации и фотоэффекта) создается электронно – ионная лавина и возбужденные атомы. Созданная электронно – ионная лавина создает импульс тока, который фиксируется анализирующим и пересчетным прибором (ПС).

Однако разряд в инертном газе, если не принять специальных мер, порождает, вследствие испускания фотонов возбужденными атомами, вторичный разряд (и т.д.). Для прекращения разряда на первой лавине к инертному газу, заполняющему счетчик, добавляют органические многоатомные газы с низким ионизационным потенциалом. Молекулы этих газов: а) поглощают возникшее при разряде ультрафиолетовое излучение, б)при столкновении с ионами инертных газов нейтрализуют их, отдавая им электроны, и диссоциируют без излучения фотонов. В результате этих процессов разряд в счетчике обрывается на первой лавине. Такие счетчики называются самогасящимися.

Гашение разряда в счетчике осуществляется и небольшими добавками галогенов (Cl 2 , Br 2 , I 2), которые тоже имеют низкие потенциалы ионизации. В галогенных счетчиках диссоциированные молекулы галогенов восстанавливаются, поэтому срок их службу больше счетчиков с органическими добавками. Кроме того, галогеновые счетчики имеют низкое рабочее напряжение ~ 350 В.

Регистрация гамма- квантов происходит только в результате образования вторичных заряженных частиц (фотоэлектронов, комптон- электронов или пар электронов и позитронов), которые вследствие малой эффективности взаимодействия гамма- излучения с веществом выбиваются в стенках газоразрядного детектора. Поэтому наибольшей эффективностью обладают счетчики, стенки которых сделаны из материала с большим атомным номером. Стенки гамма- счетчиков целесообразно изготавливать по толщине сравнимой с длиной пробега электронов (позитронов)в материале стенки; иначе электроны могу не попасть в рабочий объем счетчика. Т.к. эффективность взаимодействия гамма- излучения с веществом очень мала, то обычно эффективность гамма- счетчиков также мала и составляет 1 – 2 %.

Для регистрации медленных нейтронов часто используют детекторы, наполненные трехфтористым бором (BF 3). Их действие основано на вторичных эффектах – на образовании альфа- частиц, способных производить ионизацию, т.к. сами нейтроны не производят ионизацию.

5 B 10 + 0 n 1 →* 5 B 11 → 2 He 4 + 3 Li 7 .

* 5 B 11 – распадается, практически, мгновенно.

Быстрые нейтроны регистрируются с помощью детекторов, наполненных водородом или со стенками из водородсодержащего материала. В этом случае возникновение разряда связано с протонами отдачи. Эффективность нейтронных счетчиков, как и гамма- счетчиков, определяется вероятностью вторичных процессов образования заряженных частиц.

Черенковские счетчики . Принцип работы этих счетчиков основан на использовании эффекта Черенкова – Вавилова, заключающегося в том, что заряженная частица, движущаяся в среде со скоростью v, превышающую скорость света с/n в этой среде, испускает электромагнитное излучение, идущее под углом θ относительно направления движения частицы (cosθc/nv).

Устройство и работа черенковского счетчика можно представить следующим образом (рис. 7).

Движущаяся частица попадает в цилиндр 1, изготовленной из прозрачного вещества (плексиглас, сосуд с водой и др.). При условии

vn/c>1 она испускает черенковское излучение под углом θ к v. Отражаясь от боковых поверхностей цилиндра (угол падения должен быть больше угла полного внутреннего отражения), излучение параллельным пучком выходит из цилиндра и попадает на оптическую фокусирующую систему 2. Сфокусированный пучек падает на фотоумножитель. В фотоумножителе световой импульс преобразуется в электрический и усиливается. Далее сигнал передается на усилитель и пересчетное устройство, которое и регистрирует импульс, обусловленный прохождением частицы через рабочее вещество.

Камера Вильсона (рис.8) . Сосуд разделенный на две части мембраной или поршнем. Объем над поршнем заполнен насыщенным паром какой – нибудь жидкости – аргоном и смесью паров спирта и воды. Если каким – нибудь образом быстро (адиабатно) расширить газ, то он охладится, станет пересыщенным, но конденсироваться не будет, т. к. специальными приемами обеспечивается отсутствие центров конденсации в камере. Но если в момент расширения через газ пролетит быстрая частица, то на ее пути появится цепочка ионов, являющихся центрами конденсации. На каждом зародыше образуется капелька. Образуется след из капелек. Частица может пройти всю камеру. Это затрудняет изучение свойств частиц.

Камера может быть помещена в магнитное поле. Помещать в магнитное поле предложил советский физик Скобельцын Д.В. (1927 г). По радиусу кривизны траектории частицы можно определить импульс.

Опыты с камерой Вильсона позволяют получить информацию о заряде частицы, о ее времени жизни, о взаимодействии с ядрами.

В 1927 г Вильсону за создание камеры присуждена Нобелевская премия. В1932 г Андерсоном при помощи камеры открыт позитрон. В 1937 г Неддермейуром и Андерсоном открыты μ- мезоны. В 1947 г Рочестером, Клиффортом, Батлером открыт Λ 0 - гиперон. В 1939 г Отто Ганн и Штрассман изучали явление деления ядер урана.

Недостатки: 1. Малое количества вещества, небольшое торможение частицы в веществе, 2. Малая кривизна трека, 3. Большая турбулентность газообразного рабочего вещества, 4. Небольшая точность количественных измерений.

Диффузионные камеры . В отличие от камеры Вильсона диффузионные камеры обладают непрерывной чувствительностью, т.к. в диффузионной камере диффузия пара из нагретой части в холодную создает непрерывное насыщение в рабочей области. Область пересыщения простирается в горизонтальном направлении.

Диффузионную камеру обычно наполняют воздухом или аргоном при атмосферном давлении. В качестве парообразующей жидкости используют метиловый или этиловый спирты. Для охлаждения используют сухой лед (твердую СО 2).

Пузырьковая камера . Используется явление перегрева жидкости с последующим образованием в ней пузырьков на пути пролетающей частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд с жидкостью, которая с помощью нагревателя может быть перегрета. Сосуд этот соединен с устройством, позволяющим создать над жидкостью повышенное давление и быстро снижать это давление. Если сначала нагреть жидкость и сжать ее внешним давлением, то жидкость окажется перегретой, но в течение времени достаточного для опыта (0,1 – 0,5 с), она не кипит. Если в это время в жидкость влетит частица, то на своем пути в жидкости она потеряет часть своей энергии, которая перейдет в тепло. Т.к. жидкость перегрета, то на пути частицы образуются пузырьки. В плотной среде влетающая частица проходит путь не покидая камеру, что облегчает изучение свойств частиц.

Рабочие жидкости: водород (Т к =28 К); гелий (10,5 К); ксенон (21 К).

Объем: несколько м 3 .

В Серпухове «Мирабель», «Людмила», других стран «Гаргамель», «Скат».

Искровые и стримерные камеры (рис.9) .

И
скровая камера представляет набор металлических пластин – электродов, помещенных в газ. Одна группа пластин заземлена, а другую периодически подается кратковременный (10 -7 с) высоковольтный импульс (10 – 15) кВ.

Если в момент подачи импульса напряжения через камеру пролетает ионизирующая газ частица, то возникает электрический пробой газа. Этот след – искра фотографируется. Искровая камера запускается автоматически с помощью счетчиков, соединенных по схеме совпадений.

Пластины камеры имеют массу до одной тонны. Поэтому такой прибор может быть применен для регистрации частиц слабо взаимодействующих с веществом. С помощью этих камер были открыты новые типы нейтрино.

Недостатки: 1. Не могут регистрировать частицы, летящие под большим углом к электрическому полю, 2. Достаточно большое мертвое время (0,01 с), 3. Часть следа проходит в пластинах и не видна. Сконструирована искровая камера была в 1957 г Краншау и де-Биром. В дальнейшем Тяпкиным А.А. ОИАИ искровая камера была усовершенствована - сплошные электроды были заменены на ряды тонких проволочек, натянутых с интервалами около 1 мм. При прохождении частицы, пробой происходит на одну из проволочек, по которой пройдет ток искры. Номер проволочки определяет одну из координат трека частицы. Для определения двух координат применяют ряды ортогональных проволочек. Сигналы от проволочек поступают на ЭВМ.

В стримерных камерах вместо набора пластин используют два электрода, расположенных друг от друга на больших расстояниях (десятков метров). Напряжение подается на очень короткое время ~ 10 -8 с. это вызывает появление очень коротких искр –стримеров вдоль ионизированного следа. Этот след фотографируется.

Преимуществом стримерной камеры перед искровой является то, что в ней регистрируются частицы, идущие в любом направлении.

Метод толстослойных фотоэмульсий . В специально приготовленных фотоэмульсиях регистрируется след заряженной частицы. При этом получающаяся геометрическая картина позволяет судить о величине энергии частицы, направлении ее движения, зафиксировать место ее возникновения, определить вид частицы. Метод разработан Мысовских Л.В. и Ждановым А.П.

Заряженная частица, пролетая в фотоэмульсии, представляющей слой суспензии микрокристаллов бромистого серебра AgBr в растворе желатины, легко отрывает электроны, принадлежащие ионам брома. Эти оторванные электроны присоединяются к ионам серебра – образуются атомы серебра. Появляется скрытое изображение. После проявления и закрепления скрытое изображение переводится в видимое. Появляется черный след пролетающей частицы. Чем больше энергия частицы, тем чернее след; образуется больше ионизированных частиц.

В последние годы используются фотоэмульсии без стеклянной или целлулойдной основы. Эмульсионные слои накладывают друг на друга и помещают в светонепроницаемые камеры. Эмульсионные камеры подвергаются облучению частицами. После проявления, следы дают возможность о судьбе различных частиц на расстояниях до нескольких сантиметров (1 см фотоэмульсии по своей эффективной толщине эквивалентен 20 м воздуха).

УСКОРИТЕЛИ. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ, ЦИКЛОТРОН, ФАЗОТРОН, СИНХРОТРОН (СХЕМА УСКОРИТЕЛЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ). УСКОРИТЕЛИ КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ МИКРОМИРА.

При естественной радиоактивности быстрые частицы могут иметь энергию не превышающую 20 Мэв. В ускорителях – гигаэлектронвольты, тераэлектронвольты. Различные типы ускорителей приведены в таблице 2.

Таблица 2

Линейные ускорители (рис.10) .

Линейный ускоритель переменного тока схематически показан на рисунке 1. 1,…,5 – трубчатые электроды в вакууме. Ускоряемые частицы, образующиеся в ионизаторе И, попадают к катоду (если вылетевшая частица положительная, то на катод подается минус). Пройдя К, попадает в промежуток между К и 1, где испытывает ускорение за счет ВЧ. Первую трубку проходят за полпериода, поэтому в промежутке 1 – 2 напряжение будет направлено так же как было направлено в К – 1 и т.д. Пройдя n трубок, частица будет иметь энергию W=neU 0 .

Такой тип ускорителей применяется для ускорения тяжелых частиц – протонов, альфа- частиц и т.д. Для ускорения электронов применяются волноводы (рис.11).

В которых распространяется электромагнитная волна и электроны ускоряются электрическим полем электромагнитной волны. Расстояние между диафрагмами равно λ/4. Электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью равной скорости света в вакууме.

Методы регистрации заряженных частиц

В настоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет сложную структуру и состоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явления радиоактивности следует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов, нейтронов и даже электронов может быть сложной. Встаёт вопрос о том, существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарными частицами), из которых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их занимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объекты, которые недоступны никакому микроскопу? для этого разработан целый ряд хитроумных, весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть их взаимные превращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используемые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким – либо ядром.

Основной частью приборов для регистрации ядерных излучений является элемент, воспринимающий излучения, - детектор излучения . Для этой цели используются счетчики разных типов, позволяющие зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременного электрического тока – импульса. Наиболее широкое применение имеют газоразрядные счетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения. Постепенно их начинают вытеснять сцинтилляционные счетчики, действие которых основано на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах под ударами частиц.

Чтобы не только обнаружить ядерное излучение, но и измерить его интенсивность, недостаточно одного детектора излучения. Необходимы еще электронные устройства, подсчитывающие число электрических импульсов, то есть число попавших в счетчик частиц, и устройства, показывающие результат подсчета.