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.
Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Газоразрядный счетчик был изобретен немецким физиком Г. Гейгером, затем усовершенствован совместно с В. Мюллером. Поэтому газоразрядные счетчики часто называют счетчиками Гейгера - Мюллера. Цилиндрическая трубка служит корпусом счетчика, по оси ее натянута тонкая металлическая нить. Нить и корпус трубки разделены изолятором. Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью паров метилового спирта, при давлении около 0,1 атм.
Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица
производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы движутся к катоду. Напряженность электрического поля вблизи ннтн анода счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.
С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. Принципиальная схема включения газоразрядного счетчика для регистрации ядерных излучений представлена на рисунке 314. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком.
Сцинтилляционные счетчики.
Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации альфа-частиц, - спинтарископа - представлено на рисунке 302. Основными деталями спинтарископа является экран 3, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа 4. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня 1 примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.
Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. Сцинтилляция представляет собой одну из разновидностей явления люминесценции. В современных сцинтилляционных счетчиках регистрация световых вспышек производится с помощью фотоэлементов, которые преобразуют знергню световой вспышки в кристалле в энергию импульса электрического тока. Импульсы тока на выходе фотоэлемента усиливаются и затем регистрируются.
Камера Вильсона.
Одним из самых замечательных приборов экспериментальной ядерной физики является камера Вильсона. Внешний вид демонстрационной школьной камеры Вильсона показан на рисунке 315. В цилиндрическом
сосуде с плоской стеклянной крышкой находится воздух с насыщенными парами спирта. Рабочий объем камеры через трубку соединяется с резиновой грушей. Внутри камеры на тонком стержне укреплен радиоактивный препарат. Для приведения камеры в действие грушу сначала плавно сжимают, затем резко отпускают. При быстром адиабатическом расширении воздух и пары в камере охлаждаются, пар переходит в состояние пересыщения. Если в этот момент из препарата вылетает альфа-частица, вдоль пути ее движения в газе образуется колонка ионов. Пересыщенный пар конденсируется в капли жидкости, причем образование капель происходит в первую очередь на ионах, которые служат центрами конденсации пара. Колонка капель, сконденсировавшихся на ионах вдоль траектории движения частицы, называется треком частицы.
Для выполнения точных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Треки частиц, движущихся в магнитном поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц.
Первые фотографии треков альфа-частиц в магнитном поле получил советский физик П. Л. Капица в 1923 г.
Метод применения камеры Вильсона в постоянном магнитном поле для изучения спектров бета- и гамма-излучений и исследования элементарных частиц впервые разработал советский физик академик Дмитрий Владимирович Скобельцин.
Пузырьковая камера.
Принцип действия пузырьковой камеры состоит в следующем. В камере находится жидкость при температуре, близкой к температуре кипения. Быстрые заряженные частицы через тонкое окошко в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и производят на своем пути ионизацию и возбуждение атомов жидкости. В тот момент, когда частицы пронизывают рабочий объем камеры, давление внутри нее резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, возникающие вдоль пути следования частицы, обладают избытком кинетической энергии. Эта энергия приводит к повышению температуры жидкости в микроскопическом объеме вблизи каждого иона, ее вскипанию и образованию пузырьков пара. Цепочка пузырьков пара, возникающих вдоль пути движения быстрой заряженной частицы через жидкость, образует след этой частицы.
В пузырьковой камере плотность любой жидкости значительно выше плотности газа в камере Вильсона, поэтому в ней можно более эффективно проводить изучение взаимодействий быстрых заряженных частиц с атомными ядрами. Для наполнения пузырьковых камер используют жидкий водород, пропан, ксенон и некоторые другие жидкости.
Метод фотоэмульсий.
Фотографический метод является исторически первым экспериментальным методом регистрации ядерных излучений, так как явление радиоактивности было открыто Беккерелем с помощью этого метода.
Способность быстрых заряженных частиц создавать скрытое изображение в фотоэмульсии широко используется в ядерной физике и в настоящее время. Ядерные фотоэмульсии особенно успешно применяются при исследованиях в области физики элементарных частиц и космических лучей. Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии создает вдоль пути движения центры скрытого изображения. После проявления появляется изображение следов первичной частицы и всех заряженных частиц, возникающих в эмульсии в результате ядерных взаимодействий первичной частицы.
Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рассмотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушившегося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы получаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядерных силах.
Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей - радиации, обладающей исключительной проникающей силой и приходящей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веществом, частицы космического излучения играют роль частиц-снарядов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим способом изучения взаимопревращаемости элементарных частиц и даже в какой-то степени методом изучения атомного ядра. В настоящее время основное значение приобретают исследования разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, создаваемых в ускорителях.
Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, одинаково применимы к изучению космических лучей и частиц, возникающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных мишеней.
Следовые камеры.
Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая частица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара - в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографировать.
Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расширением пар приводится в состояние пересыщения.
Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении либо, наоборот, при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).
Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку камера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 секунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может привести к смещению картин.
В 1950 г. была предложена пузырьковая камера, которая играет большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность управлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотографий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.
Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напряжение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре имеются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.
В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нужный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, образующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.
Недавно советские исследователи предложили новый тип следовой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство
различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохождения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фотографируются. Путь частицы обрисован этими черточками.
Если фотография снята вдоль направления черточек, то путь частицы выглядит, как пунктирная линия.
Успех работы стримерной камеры зависит от правильной корреляции образования электронной лавины от первичного иона с параметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие результаты получаются при напряжении 600 000 В и времени импульса При этом импульс должен накладываться не позже чем через с после первичного акта ионизации. Следовая камера этого типа представляет собой сложную дорогую установку, которая ушла так же далеко от камеры Вильсона, как современные ускорители частиц от электронной трубки.
Ионизационные счетчики и ионизационные камеры.
Ионизационное устройство, предназначенное для работы с излучением, большей частью представляет собой цилиндрический конденсатор, наполненный газом; одним электродом является цилиндрическая обкладка, а другим - нить или острие, идущие по оси цилиндра (рис. 237а). Напряжение, прикладываемое к конденсатору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны специальным образом в зависимости от постановки задачи. В распространенной разновидности такого устройства, называемой счетчиком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет
ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и созданные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.
Такое устройство может считать количество частиц, поступающих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока должен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же достаточно велика: до частиц в секунду.
Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропорциональный числу образованных ионов (пропорциональный счетчик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газового разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом поле конденсатора, набирают энергию. Начинается ионизация ударом, создаются новые ионы и электроны. Созданные влетевшей в счетчик частицей начальные пар ионов превращаются в пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэффициент усиления будет постоянной величиной и пропорциональные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.
Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных выше счетчиках Гейгера, гаснет с прекращением ионизации. Отличие счетчика Гейгера заключается в том, что в нем влетевшая частица действует наподобие спускового механизма и время пробоя не находится в связи с первоначальной ионизацией.
Так как пропорциональные счетчики реагируют на ионизующую способность частицы, то режим работы счетчика может быть подобран так, чтобы он отмечал только частицы определенного сорта.
Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу времени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления равняется в этом случае единице. Преимуществом ионизационной камеры является большая устойчивость работы. Конструкции ионизационных камер могут значительно варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в камерах возникают токи в пределах от до
Сцинтилляционные счетчики.
Метод счета вспышек флуоресцирующего вещества (сцинтилляций) как средство счета элементарных частиц был впервые применен Резерфордом для его классических исследований строения атомного ядра. Современное воплощение этой идеи мало напоминает простенький прибор Резерфорда.
Частица вызывает световую вспышку в твердом веществе - фосфоре. Известно весьма большое число органических и неорганических веществ, обладающих способностью преобразовывать энергию заряженных частиц и фотонов в световую энергию. Многие фосфоры обладают весьма малой длительностью послесвечения, порядка миллиардных долей секунды. Это позволяет строить сцинтилляционные счетчики с большой скоростью счета. У ряда фосфоров световой выход пропорционален энергии частиц. Это дает возможность конструировать счетчики для оценки энергии частиц.
В современных счетчиках фосфоры комбинируют с фотоумножителями, имеющими обычные фотокатоды, чувствительные к видимому свету. Электрический ток, создаваемый в умножителе, усиливается и далее направляется на счетное приспособление.
Наиболее часто применяемые органические фосфоры: антрацен, стильбен, терфенил и т. д. Все эти химические соединения принадлежат к классу так называемых ароматических соединений, построенных из шестиугольников углеродных атомов. Для применения в качестве сцинтилляторов надо брать эти вещества в виде монокристаллов. Так как выращивание крупных монокристаллов несколько затруднительно и так как кристаллы органических соединений весьма хрупки, то существенный интерес представляет применение пластических сцинтилляторов, - так называют твердые растворы органических фосфоров в прозрачных пластмассах - полистироле или другом аналогичном высокополимерном веществе. Из неорганических фосфоров применяются галогениды щелочных металлов, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов.
Счетчики Черенкова.
Еще в 1934 г. Черенковым было показано, что при движении быстрой заряженной частицы в совершенно чистом жидком или твердом диэлектрике возникает особое свечение, принципиально отличное как от свечения флуоресценции, связанного с энергетическими переходами в атомах вещества, так и от тормозного излучения типа рентгеновского сплошного спектра. Излучение Черенкова имеет место в том случае, если заряженная частица движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в диэлектрике. Основная особенность излучения состоит в том, что оно распространяется вдоль конической поверхности вперед по направлению движения частицы. Угол конуса определяется формулой:
где есть угол образующей конуса с направлением движения частицы, V - скорость частицы, скорость света в среде. Таким образом, для среды с данным показателем преломления существует критическая скорость ниже которой излучения не будет. При этой критической скорости излучение будет параллельно направлению движения частицы. Для частицы, движущейся со скоростью, весьма близкой к скорости света будет наблюдаться максимальный угол излучения Для циклогексана
Спектр излучения Черенкова, как показывают опыт и теория, располагается в основном в видимой области.
Излучение Черенкова - явление, похожее на образование носовой волны от корабля, движущегося по воде; в этом случае скорость корабля больше, чем скорость волн на поверхности воды.
Рис. 2376 иллюстрирует происхождение излучения. Заряженная частица движется вдоль осевой линии и по пути электромагнитное поле, следующее за частицей, временно поляризует среду в точках траектории частицы.
Все эти точки становятся источниками сферических волн. Имеется один единственный угол, при котором эти сферические волны совпадут по фазе и образуют единый фронт.
Рассмотрим две точки на пути заряженной частицы (рис. 237в). Они создали сферические волны, одна в момент времени другая в момент времени Очевидно, есть время, которое затратила частица на прохождение пути между этими двумя точками. Для того чтобы эти две волны распространялись под каким-то углом 9 в одной фазе, необходимо, чтобы время хода первого луча было больше времени хода второго луча на время Путь, пройденный частицей за время равен Волна пройдет за это же время расстояние Отсюда мы и получаем приведенную выше формулу:
Излучение Черенкова используется в последнее время весьма широко как способ регистрации элементарных частиц. Счетчики, основанные на этом явлении, называются черепковскими счетчиками. Светящееся вещество соединяется, так же как и в сцинтилляционных счетчиках, с фотоумножителями и усилителями
фотоэлектрического тока. Существует множество конструкций счетчиков Черенкова.
У счетчиков Черенкова имеется множество преимуществ. К ним относятся быстрая скорость счета и возможность определения зарядов частиц, движущихся со скоростью, весьма близкой к скорости света (мы не сказали, что световой выход резко зависит от заряда частицы). Только при помощи счетчиков Черенкова могут решаться такие важные задачи как прямое определение скорости заряженной частицы, определение направления, в котором движется ультрабыстрая частица, и т. д.
Размещение счетчиков.
Для того чтобы изучать различные процессы превращения и взаимодействия элементарных частиц, необходимо иметь возможность не только отметить появление частицы в данном месте, но и проследить дальнейшую судьбу этой же частицы. Подобные задачи решаются с помощью специальных расположений счетчиков с обобщенной счетной схемой. Например, можно электрические схемы двух или нескольких счетчиков соединить таким способом, чтобы счет происходил лишь в том случае, если разряд во всех счетчиках начинается в точности в одно и то же время. Это может служить доказательством прохождения одной и той же частицы через все счетчики. Такое включение счетчиков называется «включением на совпадение».
Метод толстослойных фотографических эмульсий.
Как известно, фоточувствительным слоем фотопластинок служит желатиновая пленка, в которую введены микрокристаллики бромистого серебра. Основой фотографического процесса является ионизация этих кристалликов, в результате которой происходит восстановление бромистого серебра. Этот процесс происходит не только под действием света, но и под действием заряженных частиц. Если через эмульсию пролетит заряженная частица, то в эмульсии возникнет скрытый след, который можно увидеть после проявления фотопластинки. Следы в фотоэмульсии рассказывают много подробностей о вызвавшей их частице. Сильно ионизующие частицы оставляют более жирные следы. Так как ионизация зависит от заряда и скорости частиц, то уже один только вид следа говорит о многом. Ценные сведения дает величина пробега (трека) частицы в фотоэмульсии; измеряя длину следа, можно определить энергию частицы.
Исследования при помощи обычных фотопластинок с тонкими эмульсиями мало пригодны для целей ядерной физики. Такие пластинки фиксировали бы только те частицы, которые движутся строго вдоль пластинки. Мысовским и Ждановым, а также через несколько лет Пауэллом в Англии были введены в обиход фотопластинки с толщиной эмульсии, близкой к (у обычных пластинок толщина слоя в сто раз меньше). Фотометод ценен своей наглядностью, возможностью наблюдать сложную картину превращения, происходящего при разрушении какой-либо частицы.
На рис. 238 приведена характерная фотография, полученная этим Методом. В точках произошли ядерные превращения.
В последнем варианте этого метода в качестве среды, в которой фиксируются треки частиц, применяют эмульсионные камеры значительного объема.
Методы анализа наблюдений.
При помощи описанных приборов исследователь получает возможность определить все важнейшие константы элементарной частицы: скорость и энергию, электрический заряд, массу; все эти параметры могут быть определены с достаточно высокой точностью. При наличии потока частиц можно, кроме того, определить значение спина элементарной частицы и ее магнитного момента. Это делается тем же опытом расщепления пучка в магнитном поле, который был описан на стр. 171.
Следует помнить, что непосредственно наблюдаются лишь заряженные частицы. Все данные о нейтральных частицах и о фотонах получаются косвенно изучением характера действия этих невидимых частиц на заряженные. Данные, получаемые о невидимых частицах, обладают, тем не менее, большой степенью достоверности.
Существенную роль при исследовании всякого рода превращений элементарных частиц играет применение законов сохранения импульса и энергии. Так как мы имеем дело с быстрыми частицами, то, применяя закон сохранения энергии, необходимо учитывать возможное изменение массы.
Предположим, что на фотографии наблюдается след частиц в виде «вилки». Первая частица превратилась в две частицы: вторую и третью. Тогда должны выполняться следующие соотношения. Во-первых, импульс первой частицы должен равняться векторной сумме импульсов возникших частиц:
где разность масс
Весь опыт ядерной физики показывает, что законы сохранения выполняются неукоснительно при любых превращениях элементарных частиц. Это позволяет воспользоваться этими законами для выяснения свойств нейтральной частицы, не оставляющей следа в фотографической эмульсии и не ионизующей газа. Если на фотопластинке наблюдаются два расходящихся трека, то исследователю ясно: в точке, откуда эти следы расходятся, произошло превращение нейтральной частицы. Определяя импульсы, энергии и массы возникших частиц, можно сделать уверенные выводы о значении параметров нейтральной частицы. Так был открыт нейтрон, такими способами мы судим о нейтрино и нейтральных мезонах, о которых будет рассказано ниже.
Доклад:
Методы регистрации элементарных частиц
1) Газоразрядный счётчик Гейгера
Счётчик Гейгера- один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц.
Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).
Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон,£- частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на разгрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается – настолько,что разряд прекращается.
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов(фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y- кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны.
Счётчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается Y- квантов,то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц (например, £-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.
2) Камера Вильсона
Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создаёт вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.
Прибор представляет собой цилиндр с поршнем 1 (рис. 2), накрытый плоской стеклянной крышкой 2. В цилиндре находятся насыщенные пары воды или спирта. В камеру вводится исследуемый радиоактивный препарат 3, который образует ионы в рабочем объеме камеры. При резком опускании поршня вниз, т.е. при адиабатном расширении, происходит охлаждение пара и он становится перенасыщенным. В этом состоянии пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, образованные пролетевшей в это время частицей. Так в камере появляется туманный след (трек) (рис.3), который можно наблюдать и фотографировать. Трек существует десятые доли секунды. Вернув поршень в исходное положение и удалив ионы электрическим полем, можно вновь выполнить адиабатное расширение. Таким образом, опыты с камерой можно проводить многократно.
Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то возможности камеры по изучению свойств частиц значительно расширяются. В этом случае на движущуюся частицу действует сила Лоренца, что позволяет по искривлению траектории определить значение заряда частицы и ее импульс. На рисунке 4 приведен возможный вариант расшифровки фотографии треков электрона и позитрона. Вектор индукции В магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа за чертеж. Влево отклоняется позитрон, вправо - электрон.
3) Пузырьковая камера
Отличается от камеры Вильсона тем, что перенасыщенные пары в рабочем объеме камеры заменяются перегретой жидкостью, т.е. такой жидкостью, которая находится под давлением, меньшим давления ее насыщенных паров.
Пролетая в такой жидкости, частица вызывает возникновение пузырьков пара, образуя тем самым трек (рис.5).
В исходном состоянии поршень сжимает жидкость. При резком понижении давления температура кипения жидкости оказывается меньше температуры окружающей среды.
Жидкость переходит в неустойчивое (перегретое) состояние. Это и обеспечивает появление пузырьков на пути движения частицы. В качестве рабочей смеси применяются водород, ксенон, пропан и некоторые другие вещества.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
4) Метод толстослойных фотоэмульсий
Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.
Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы.
По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.
Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов:
1) дискретные (счетные и определяющие энергию частиц): счетчик Гейгера, ионизационная камера и др.;
2) трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора): камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др.
1. Газоразрядный счетчик Гейгера. Для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов (фотонов) большой энергии используется счетчик Гейгера-Мюллера. Он состоит из стеклянной трубки (рис. 22.4), к внутренним стенкам которой прилегает катод К - тонкий металлический цилиндр; анодом А служит тонкая металлическая проволока, натянутая по оси счетчика. Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенциал, на нить - положительный. Последовательно счетчику включается резистор R, с которого сигнал подается к регистрирующему устройству.
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Пусть в счетчик попала частица, создавшая на своем пути хотя бы одну пару: "ион + электрон". Электроны, двигаясь к аноду (нити), попадают в поле с нарастающей напряженностью (напряжение между А и K ~ 1600 В), их скорость стремительно возрастает, и на своем пути они создают ионную лавину (возникает ударная ионизация). Попав на нить, электроны снижают ее потенциал, вследствие чего по резистору R пойдет ток. На его концах возникает импульс напряжения, который и поступает в регистрационное устройство.
На резисторе происходит падение напряжения, потенциал анода уменьшается, и напряженность поля внутри счетчика убывает, вследствие чего уменьшается кинетическая энергия электронов. Разряд прекращается. Таким образом, резистор играет роль сопротивления, автоматически гасящего лавинный разряд. Положительные ионы стекают к катоду в течение \(~t \approx 10^{-4}\) с после начала разряда.
Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 10 4 частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов. Однако непосредственно \(~\gamma\)-кванты вследствие своей малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого \(~\gamma\)-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации \(~\gamma\)-квантов - лишь около 1 %.
Регистрация тяжелых \(~\alpha\)-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое "окошко", прозрачное для этих частиц.
2. Камера Вильсона.
В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона (рис. 22.5) представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем 1. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна 2. Внутри камеры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня 1 смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко 3) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, \(~\alpha\)-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный (рис. 22.6). Появляющееся расщепление трека - "вилки" свидетельствует о происходящей реакции.
Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.
Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы (удельный заряд).
3. Пузырьковая камера. В настоящее время в научных исследованиях используется пузырьковая камера. Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом 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. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан С 3 Н 3 . Длительность рабочего цикла порядка 0,1 с.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
4. Метод толстослойных фотоэмульсий разработан Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы Ag + и Вг - и почернение фотоэмульсии вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.
Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают \(~\alpha\)-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам \(~\alpha\)-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление \(~\alpha\)-частиц.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 618-621.
