Детекторы частиц

1. Детекторы микрочастиц - это приборы, служащие для обнаружения частиц и измерения их параметров. В основе работы детекторов микрочастиц лежит способность движущихся заряженных частиц и квантов ионизировать вещество. Нейтроны не ионизи­руют вещество. Но, взаимодействуя с ядрами атомов вещества, они создают вторичные за­ряженные частицы, которые и регистрируются детектором.

Все детекторы делятся на два класса: детекторы-счетчики и трековые детекторы. Счетчики в основном регистрируют лишь факт появления микрочастицы. К ним относятся ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтиляционные, черепковские и др.

Трековые детекторы позволяют не только зарегистрировать факт и момент времени появления частицы, но и выявить траекторный след частицы (трек). Это позволяет получить более полную информацию о частице: определить ее энергию, удельный заряд, схему ее рас­пада или взаимодействия с другими частицами и т.д. К трековым детекторам относятся: ка­меры Вильсона, пузырьковые камеры, толстослойные ядерные фотоэмульсии и др.

2. Ионизационная камера - это один из первых по времени появления детекторов. Ее использовал еще Резерфорд в своих исследованиях радиоактивности в 1903 году.

Ионизационная камера представляет собой конденсатор обычно цилиндрической формы, заполненный газом. Между центральным электродом 1 и внешним цилиндром 2 при­кладывается разность потенциалов U. Величина U подбирается такой, чтобы образовавшиеся в газе при прохождении ионизи­рующей частицы ионы успевали дойти до электродов с минималь­ными потерями на рекомбинацию.

Диаметр камеры 10-15 см, напряжение иа электродах равно 100-1000 В. Чтобы на центральном электроде не возникло корони-рования, он делается достаточно толстым, диаметром 2-5 мм.

Вели камера предназначена для измерения интенсивности потока β^- и γ-частиц, то она делается обычно из тонкого алюми­ния, а внутри заполняется инертным газом gод давлением, близким к атмосферному. Бета - и гамма - частицы проникают внутрь камеры сквозь стенки и ионизируют газ. Чтобы макси­мально учитывать только энергию этих частиц, нужно, чтобы они полностью тормозились в камере и не выходили за ее пределы. С этой целью размер ионизационных камер для регист­рации β^- и γ-частиц может быть существенно увеличен.

Альфа - частицы, обладающие огромной ионизирующей способностью, имеют малую длину пробега, в воздухе - 3-4 см, в алюминии до 10 мкм. Поэтому все они задерживаются стенкой камеры. Для исследования «-активного препарата его нужно поместить внутрь ка­меры. Гак, например, устроены эманометры - приборы для определения концентрации ра­дона и продуктов его распада в приземном слое воздуха.

Радон - инертный газ. Все его естественные изотопы ²²⁰₈₆Rn, ²²²₈₆Rn и ²¹⁹₈₆Rn образуются в семействах тория, урана и актиноурана в результате распада изотопов радия. Радиоактивный газ, образующийся при распаде радия, Резерфорд назвал в 1899г. словом «эманация», что на латыни означает «истечение». Когда в 1903 г, выяснилось, что этот ра­диоактивный газ есть новый химический элемент в таблице Менделеева, сто назвали словом «радон», то есть производное радия.

С помощью насоса ионизационная камера эманометра заполняется исследуемым воз­духом. Содержащийся в воздухе радон при распаде испускает «-частицы. Все они тормозят­ся в камере эманометра диаметром 10-12 см. Потенциал ионизации молекул воздуха пример­но 33 В, Поэтому α-частица с энергией 5 МэВ создаст при торможении 5*10⁶/33 = 1,5*10⁵ пар ионов. Через гальванометр пройдет заряд q=1,6-10^-19*1,510⁵ = 2,4*10¹⁴ Кл. Это очень малая величина. Если активность препарата в камере составляет 1 микрокюри (1 мкКи), что соот­ветствует испусканию в 1 с 3,7-10¹⁰*10⁶= 3,7*10⁴ α-часгиц, то через гальванометр протекает средний ток I = qlt = 2,4*10^-14*3,7*10⁴Кл/с « 10^-9А. Столь слабый ток может быть измерен или чувствительным электрометром, или должен быть предварительно усилен.

Ионизационные камеры бывают двух типов: токовые и импульсные. Самые простые -токовые. Например, эманометры. Они измеряют интегральный эффект - ток несамостоя­тельного газового разряда, возникающего под действием многих ионизирующих частиц.

3. Счетчик Гейгера представляет' собой полый цилиндр из тонкой металлической фольги диаметром 10-20 мм и длиной 10-30 см, занолнепный аргоном под давлением 100-200 мм Hg. Вдоль оси цилиндра натянута изолированная от стенок тонкая проволочная нить диаметром 10-100 мкм..

Работает счетчик так. Когда ионизирующих частиц в счетчике нет, ток через высокоомный резистор R ранен нулю. Все напряжение U, создаваемое источником

тока (400-1000 В), приложено к газовому промежутку между осевой проволокой и стенками цилиндра. Если через счетчик пролетает ионизирующая частица, например, электрон, атомы ар­гона на ее пути ионизируются. Тяжелые положительные ионы Аг^- медленно движутся к ци­линдрической стенке - катоду, а оторванные от атомов аргона электроны устремляются к нити, на которой потенциал «плюс». По сравнению с молекулами воздуха (0₂ и N₂), которые в отсутствие электрического поля быстро присоединяют свободные электроны (за время » 10⁵с), превращаясь в отрицательные ионы, атомы инертных газов, тем более при наличии электрического поля, когда электроны быстро движутся, остаются в основном нейтральны­ми. Полому электроны остаются в свободном состоянии.

По мере приближения к нити напряженность поля Е нарастает пропорционально l/r. На расстоянии 1 мм от оси нити Е > 10⁵ в/м. Поэтому электроны разгоняются па длине свободного пробега до таких энергий, что оказываются способными ионизировать атомы аргона. Образующиеся в каждом акте ионизации электроны устремля­ются к Нити, также ионизируя газ. В результате в счетчике возникает электронно-ионная ла­вина самостоятельного газового разряда. В цепи возникает ток, на резисторе R подскакивает напряжение, которое регистрируется счетчиком электронных импульсов.

Счетчик Гейгера и резистор R включены в электрическую цепь последовательно. Поэтому, если напряжение на резисторе R подскакивает при импульсе тока на величину ΔU, то на такую же величину ΔU уменьшается напряжение па счетчике. В результате ударная иони­зация должна прекратиться, импульс тока - оборваться, а счетчик должен перейти в режим ожидания следующей ионизирующей частицы.

Однако на опыте оказалось, что быстрого прекращения разряда не происходит. Дело в том, что в окрестности нити концентрация электронов и ионов настолько велика, что наряду с актами ионизации становятся частыми акты рекомбинации положительных ионов с элек­тронами. При рскомбинационном образовании нейтральных атомов избыток энергии сбра­сывается в виде кванта ЭМ-излучения. Возникает типичное свечение газа в коронном разря­де. Образующиеся УФ-фотоиы падают на внутреннюю поверхность цилиндра-катода и вы­бивают из нее фотоэлектроны, которые устремляются к нити - аноду. Этот процесс продол­жается и при пониженном напряжении. В результате задний фронт токового импульса «сма­зывается» во времени, а сам счетчик может перейти в состояние постоянного коронирования.

Чтобы этою не было, в счетчик добавляют немного (до 10%) органических молекул (спирта С₂H₅ОH) или галогенов Сl₂, Вг₂. Перехватывая УФ-фотоны, эти молекулы диссоции­руют на фрагменты. Даже если эти фрагменты заряжены, (С2H5OIH —> C²H⁵⁺ +ОН^- )их масса в тысячи раз больше массы электронов. Они медленно ускоряются и потому, перехватывая УФ-фотоны, резко обрывают электронную лавину.

 

При повторении актов диссоциации молекул и воссоединения их фрагментов состав и структура органических примесей постепенно меняются. Поэтому счетчики Гейгера с при­месью спирта имеют ограниченный срок службы (до 109 срабатываний).

Первый вариант счетчика Ганс Гейгер и Эрнст Резерфорд предложили в 1908 г. Он отличался тем, что внутри цилиндра находилось тщательно заточенное металлическое ост­рие, установленное на изоляторе. В 1928 г. Н.Мюллер предложил использовать вместо острия очень тонкую проволоку. Это существенно увеличивало ток разряда. Счетчики с проволоч­ной нитью называют обычно счетчиками Гейгера-Мюллера.

Счетчики Гейгера-Мюллера применяются при регистрации β^- электронов, рентгенов­ских и γ- квантов, а также нейтронов. Нейтронные счетчики делают обычно в виде стеклян­ных трубок с металлическим напылением изнутри, внутрь добавляют газ, содержащий бор.

Основные достоинства счетчика Гейгера-Мюллера: простота конструкции, надеж­ность и относительная дешевизна Эффективность счета по заряженным частицам 100% (регистрируются практически все влетевшие в счетчик частицы), по γ - квантам - от 1 до 3%. быстродействие счетчиков 10^-5— 10^-4 с.

Основной недостаток счетчика: невозможность измерять с его помощью энергию ио­низирующих частиц. В настоящее время эти счетчики применяются в дозиметрии и в неко­торых научных исследованиях.

4. Сцинтиллянионный (люминесцентный) счетчик. Первым таким счетчиком был спинтарископ Крукса, применявшийся в начальных опытах но радиоактивности. Ионизирующая частица, влетающая в кристалл радиолюминофора, например, ZnS, вызывает вспышку света - сцинтилляцию. При достаточной яркости вспышки глаз человека может се увидеть. Тем самым регистрируется факт появления частицы.

Работа с таким визуальным люминесцентным счетчиком очень тяжела и утомительна. Рабочая скорость счета не превышает 2-3 частиц в секунду. Поэтому после опытов Резерфорда спинтарископы практически уже не применялись.

Положение изменилось в 1934 г., когда Леонид Кубацкий изобрел фотоумножитель (ФЭУ). С помощью ФЭУ оказалось возможным автоматизировать процесс подсчета частиц. Поэтому после 2-й мировой войны сциптилляционные счетчики на основе ФЭУ получили широкое применение.

ФЭУ - электровакуумный прибор. В основе его работы лежит явление вторичной электронной эмиссии. Суть его в том, что электрон, ударяющийся о поверхность металла, способен выбить из пес несколько других, вторичных электронов. Число выбитых вторич­ных электронов, приходящихся на один упавший на металл первичный электрон, называют коэффициентом вторичной эмиссии σ. У чистых металлов σ< 2, а у специально обработан­ных поверхностей, например, у сурьминоцезиевых эмиттеров, а доходит до 10.

Принцин работы сцинтилляционного счетчика на основе ФЭУ показан аа рис.162. Ионизирующая частица, например, β^- элек­трон, влетает в люминесцентный кристалл 1 (например, Nal). При торможении электрон возбуждает атомы кристалла. Возвращаясь из возбужденного в основное состояние, атомы испускают фотоны. Сквозь кварцевое окно 2 эти фотоны надают на фотокатод К, выбивая. из него фо­тоэлектроны. Выбитые из катода К электроны под действием ускоряющего электрического ноля движутся к первому эмиттеру Э₁. Если из фотокатода К было выбито светом Nо элек­тронов, то после эмиттера Э₁ их число увеличивается в а раз и будет равным N₁ – N₀.σ Фор­ма и ориентация эмиттеров делается в ФЭУ такими, чтобы вторичные электроны фокусиро­вались в направлении следующего эмиттера. После второго эмиттера Э₂ число электронов будет равным N₂=N₁=N₀σ². После третьего- N₃=N₀ σ³, после n-го- N_n=N₀ σⁿ.

В современных ФЭУ число таких эмиттеров достигает 20. Это позволяет увеличивать поток электронов через ФЭУ в 10⁶~10⁸ раз. Поэтому на выходе ФЭУ получается токовый импульс, достаточный для регистрации электронными средствами.

Быстродействие сцинтилляционимх счетчиков определяется длительностью световой вспышки в люминофоре В неорганических кристаллах (Nal) это время имеет порядок 10^-7с, в органических (антрацен С₁₄Н₈, нафталин С₁₀Н₆) примерно 10^-8 с.

Применение жидких прозрачных люминофоров позволило значительно увеличить ра­бочий объем счетчиков. Например, в опытах по регистрации электронного антинейтрино 1956 г. объем жидкого люминофора составлял 5000 л.

Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокое быстродействие (10^-7-10^-8с), высокая эффективность счета (100% по заряженным частицам и 30% по у-квантам), воз­можность оценки энергии частиц. Недостатки: более высокая по сравнению с газоразрядны­ми счетчиками конструктивная сложность, меньшая надежность.

Люминесцентные счетчики являются сейчас одним из основных типов регистраторов как в ядерной физике, так и в ее технических приложениях.

5. Черенковский счетчик - это разновидность люминесцентного счетчика. 13 его ос­нове лежит эффект Черепкова, который состоит в гам, что заряженная частица, движущаяся в диэлектрике со скоростью, большей фазовой скорости света в этом диэлектрике, генериру­ет в направлении тонкой стенки конуса оптическое излучение. С помощью ФЭУ это излучение регистрируется.

Основное назначение черенковских счетчиков состоит в измерении энергии быстрых частиц по величине угла Θ при вершине конуса. 11оэтому они применяются в исследованиях частиц высоких энергий.

6. Камера Вильсона. Исторически - это первый трековый регистратор. Сконструировал камеру Чарльз Вильсон в 1912г. Ка­мера Вильсона представляет собой цилиндр 1, в верхнем основа­нии которого сделано стеклянное окно 2. На верхней поверхности поршня 4 помещается черная влажная бумага 3. Ко­гда поршень неподвижен, то уже через несколько секунд воздух над поршнем приобретет 100 %-ю при данной температуре относительную влажность. Это состояние устойчивого термодинами­ческого равновесия. При попадании в цилиндр ионизирующей частицы никаких видимых глазом изменений не наблюдается. При быстром смещении поршня вниз воздух в цилиндре адиабатно расширяется (примерно на 20%). Температура воздуха также быстро падает. Пар становится перенасы­щенным. Но если воздух в цилиндре хорошо очищен и центров конденсации для избыточной влаги нет, то пар над поршнем в течение нескольких секунд будет находиться в неустойчи­вом метастабильном состоянии.

Если в это время внутрь цилиндра влетит ионизирующая частица, то вдоль ее траек­тории на образовавшихся при ионизации воздуха ионах быстро (=1 с) конденсируется влага. 11а ионах образуются капельки тумана. При надлежащем освещении на темном фоне поршня виден белесоватый след 5 - трек частицы толщиной до 1 мм. Через несколько секунд из-за диффузии и конвекции трек начинает размываться. Но этого времени достаточно, чтобы трек сфотографировать. В течение 1 минуты камера может давать от 1 до 3 расширений.

В 1923 г. Петр Капица и Дмитрий Скобельцын предложили помещать камеру Виль­сона в магнитное поле. Благодаря полю, траектория заряженной частицы искривляется. Это дает возможность определять удельный заряд частицы. Камера Вильсона позволяет:

а. Определить число частиц, влетевших в камеру, и направление их движений;

6. Определить энергию частиц. Для этого надо сосчитать число капелек тумана, при­ходящихся на 1 мм длины трека. Зная длину трека (измеряется по фотографии) и энергию ионизации молекул газа, можно оценить энергию частицы, соответствующую уместившему­ся в камере отрезку трека.

 

в. Определять удельный заряд частиц. По фотографии трека измеряется радиус его кривизны R. Зная индукцию В магнитного поля и вычисленную из энергии Е скорость части­цы υ = √2E/m, из формулы R = mυ/eB находим е/m= (√2E/m)/RB.

г. Определять схему распада частиц. Это удается, когда продукты распада неста­бильной ионизирующей частицы дают треки, также умещающиеся внутри камеры. Для вы­явления таких событий приходится просматривать десятки тысяч фотографий.

Камера Вильсона сыграла выдающуюся роль в ядерной физике и в физике космиче­ских лучей. В течение почти полувека она была самым эффективным трековым детектором. И лишь в 60-е годы XX в. она утратила свое значение, уступив место пузырьковой камере.

7. Пузырьковая камера. Обычный размер камеры Вильсона 10-20 см, в редких слу­чаях до 1 м. Частицы высоких энергий не успевают затормозиться полностью в газе на таких

отрезках и потому уходят из камеры. Это снижает информативность их треков.

В 1952 г.Дональд Глезер изобрел пузырьковую камеру. В отличие от камеры Вильсона, заполненной газом, пузырьковая камера заполнена тщательно очищенной жидкостью. Поэтому длина треков в пу­зырьковой камере меньше. Например, треки в водо­родной камере короче примерно в 50 раз, в дейтсриевой - в 100 раз, в пропановой - в 350 раз и т.д. Это делает ее пригодной для исследования частиц высо­ких энергий. Схема пузырьковой камеры показана на рис. 164. Противоположные стенки камеры сделаны в виде двух стеклянных иллюминаторов 1 и 2. Жидкость, заполняющая камеру, освещается через иллюминатор 1. Фотографируются треки двумя-тремя фотоаппаратами 4 и 5 через ил­люминатор 2 в контровом свете. Жидкость в камере сначала находиться при температуре, большей температуры кипения. От закипания она удерживается высоким давлением, которое создается поршнем 3. Для приведения камеры в рабочее состояние движением поршня (вниз по рисунку) давление в камере быстро (5-15 мс) понижается. После этого жидкость в камере переходит в метастабильное состояние перегретой жидкости. Если в этот момент в каме­ру войдет ионизирующая частица, то, тормозясь на атомах жидкости, она будет их ионизи­ровать, то есть выбивать из них электроны. Вот на этих электронах и образуются, по-видимому, пузырьки пара вскипающей жидкости. За 1-3 мс они вырастают до 100-300 мкм в диаметре, формируя хорошо видимый в прозрачной жидкости трек, который фотографирует­ся. За 1 секунду пузырьковая камера может совершить до 10 циклов.

Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камер Вильсона. Но уникальные камеры имеют очень большой объем. Например, фреоновая камера в г.Серпухове имеет объем 10,8 м³, в США построена водородная камера с объемом 33 м³ .

В качестве рабочих жидкостей используется водород, дейтерий, гелий '{криогенные камеры работают при температуре от -270 до -240°С), а также пропан и фреоны (тяжело­жидкостные камеры, работают при более высоких температурах и давлениях).

Пузырьковые камеры очень дороги, трудны в изготовлении и эксплуатации. Поэтому применяются лишь там, где без них нельзя обойтись. Например, на импульсных ускорителях очень больших энергий. Камера при этом включается синхронно с импульсом ускорителя. Трудоемкость обработки фотографий столь же велика, как и в камере Вильсона. Пузырько­вые камеры дают уникальные возможности для исследований длинных цепей рождения и распадов частиц высоких энергий.

8. Толстослойные ядерные фотоэмульсии - это самые дешевые трековые регистра­торы. Если толщина обычных фотоэмульсий около 10 мкм, то у ядерных - много больше, от 50 до сотен мкм. Стеклянные пластинки со слоем фотоэмульсии ставят на пути ионизирую­щих частиц, а после экспозиции проявляют. Вдоль траектории заряженной частицы появля­ется черный след, образованный зернами металлического реребра.

Зерна имеют размер около 1 мкм, а длина треков в эмульсии примерно в 2000 меньше, чем в камере Вильсона, и редко превышают 4 мм Поэтому треки изучаются в микроскоп со средним увеличением 500-600 раз, Желатиновый слой проявленной и закрепленной фотоэмульсии практически прозрачен для света. Поэтому трек частицы виден я микроскоп как отрезок черной нити.

Чтобы измерить длину прямолинейного трека микроскоп фокусируется сначала один конец трека, а затем - на другой. Персмещения в горизонтальной плоскости вчитываются с препаратоводителя, а вертикальное перемещение Δz - с микрометаллического винта тубуса. Затем вычисляется длина трека l=√Δx²+ Δy²+ Δz², а по ней – энергия частицы. Отсюда видно, что обработка ядерных фотоэмульсий - чрезвычайно трудоемкое дело которое трудно автоматизировать.

Как и камеру Вильсона, фотопластинки Можно помешать в магнитное поле*, но из- за малой длины треков в эмульсии индукция В поля должна быть примерно в 1000 раз больше.

Помимо дешевизны важнейшее достоинство ядерных фотоэмульсий состоит в возможности их длительного экспонирования. Особенно это необходимо при исследовании космических -лучей. Появление частиц из космоса невозможно прогнозировать,. Поэтому фотоопласгинки заворачиваются в черную бумагу и экспонируются на поверхности 3емли в течение нескольких дней и даже месяцев.

9. Детектор нейтронов. Все они построены по двустепенчатому принципу: нейрон, взаимодействуя, с веществом детектора, образует заряженные частицы, которые затем регистрируются обычным образом. Наиболее употребительны три тина детекторов:

а. Борный нейтронный счетчик В основе его работы лежит реакция:

¹₀n+ ¹⁰₅В -> ⁷₃Li + ⁴₂α + 2,79 МзВ .

Счетчик представляет собой обычную токовую ионизационную камеру, заполненную

газом - фторидом бора BF₃. Проникающие в счетчик нейтроны производят реакцию, а ее продукты ⁷₃Li и ⁴₂Не, ионизируя газ, дают импульсы тока которые регистрируются.

б. Литиевый нейтронный счетчик. Это люминесцентный счетчик на кристалле йодистого лития LiI. В основе работы счетчика лежит, реакция:

¹₀n+⁶₃Li--> ³₁H+ ⁴₂α + 4,78МзВ

Продукты реакции регистрируются обычным для люминесцентного счетчика образом. Так как пробег α-частиц и других легких ядер в твердых телах очень мал ("с ^j? 30 мкм), то люминесцентные нейтронные счетчики могут иметь очень малые размеры с эффективностью счета до 50 %.

е. Делительная камера представляет собой ионизационную камеру, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем (не более 1 мкм) оксида UO₂ урана-235. В основе работы этого счетчика лежит реакция деления ядер урана под действием медленных нейронов. Образующиеся при делении ядер урана осколки имеют колоссальную энергию (до 200 МэВ) и громадную ионизирующую способность.

Все перечисленные детекторы регистрирую, медленные нейтроны. Для регстрации быстрых нейтронов самым дешевым способом являйся обкладывание этих детекторов слоем замедлителя - парафина.