„Tikri“ dalelių detektoriai, tokie kaip Didysis hadronų greitintuvas, kainuoja milijonus dolerių ir sveria šimtus tonų, bet mes pasistengsime išsiversti su daug kuklesniu biudžetu.
Mums reikės:
- sauso ledo (apie 80 rublių už kilogramą, patartina pirkti putplasčio termo indą dar už 300 rublių – kitaip viskas, ką nusipirkote, per greitai išgaruos). Daug sauso ledo nereikia, užtenka kilogramo;
- izopropilo alkoholis (kainuoja 370 rublių už 0,5 litro, parduodamas radijo aparatūros parduotuvėse);
- veltinio gabalas (siuvykla, apie 150 rublių);
- klijai veltiniui priklijuoti prie talpyklos dugno („Moment“, 150 rublių);
- permatomas indas, pavyzdžiui, plastikinis akvariumas su dangteliu (nusipirkome kieto plastiko maisto indą už 1,5 tūkst. rublių);
- stovas sausam ledui, tai gali būti fotografinė kiuvetė (rasti redakcijos virtuvėje);
- deglas.
Taigi pradėkime. Pirmiausia ant indo dugno reikia priklijuoti veltinio gabalėlį ir palaukti kelias valandas, kol klijai išdžius. Po to veltinį reikia pamirkyti izopropilo alkoholyje (įsitikinkite, kad alkoholio nepatektų į akis!). Pageidautina, kad veltinys būtų visiškai prisotintas alkoholio, o likusi dalis turi būti nusausinta. Tada ant kiuvetės dugno užpilkite sauso ledo, uždarykite indą dangteliu ir padėkite į sausą ledą dangteliu žemyn. Dabar reikia palaukti, kol kameros viduje esantis oras bus prisotintas alkoholio garų.
Debesų kameros (dar žinomos kaip „rūko kamera“) veikimo principas yra tas, kad net labai silpnas smūgis priverčia kondensuotis prisotintus alkoholio garus. Dėl to net dėl kosminių dalelių poveikio garai kondensuojasi, o kameroje susidaro mikroskopinių lašelių grandinės – takeliai.
Eksperimentą galite pamatyti mūsų vaizdo įraše:
Keletas pastabų iš patirties: nereikėtų pirkti per daug sauso ledo – net ir jų terminiame inde jis visiškai išgaruos greičiau nei per dieną, o pramoninio šaldytuvo vargu ar rasite. Būtina, kad permatomo indo dangtelis būtų juodas, pavyzdžiui, galite uždaryti iš apačios juodu stiklu. Juodame fone takeliai bus geriau matomi. Reikia žiūrėti tiksliai į konteinerio dugną, kur susidaro būdingas rūkas, panašus į šlapdribą. Būtent šiame rūke atsiranda dalelių pėdsakai.
Kokius takelius galima pamatyti:
Tai nėra kosminės dalelės. Trumpi ir stori pėdsakai – tai radioaktyviųjų dujų radono atomų skleidžiami alfa dalelių pėdsakai, kurie nuolat skverbiasi iš Žemės gelmių (ir kaupiasi nevėdinamose patalpose).
Ilgus siaurus takelius palieka miuonai, sunkūs (ir trumpaamžiai) elektronų giminaičiai. Jų gausu viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, kai didelės energijos dalelės susiduria su atomais ir sukuria ištisus dalelių lietus, daugiausia miuonus.
Kreivosios trajektorijos yra elektronų arba jų antidalelių, pozitronų ženklas. Juos taip pat generuoja kosminiai spinduliai, jie susiduria su oro molekulėmis ir gali judėti zigzagais.
Jei matėte, kad takeliai išsišakoja, vadinasi, jums pasisekė: matėte vienos dalelės skilimą į dvi.
Patiko? Prenumeruokite N+1 adresu
2.1. dujų išlydžio detektoriai. Geigerio-Trosto skaitikliai, proporciniai skaitikliai, jonizacijos kameros. scintiliacijos skaitikliai.
2.2. Čerenkovas skaito. puslaidininkiniai skaitikliai.
2.3. Trasos detektoriai su filmų informacija. Debesų kamera, burbulų kameros, kibirkščių ir srovių kameros. Branduolinių fotografinių emulsijų metodas.
2.4. Kameros be filmų. Proporcinės ir dreifo kameros. Hodoskopinės scintiliacijos ir Čerenkovo skaitiklių sistemos.
Matavimo metodai ir matematinis duomenų apdorojimas
3.1. Spektrometrinių matavimų metodai. Magnetiniai spektrometrai. Spektrometrinių matavimų keliai su puslaidininkių ir scintiliacijos skaitikliais su duomenų išvestimi į kompiuterį. Daugiamačių spektrų vaizdavimo metodai.
3.2. Dozimetriniai matavimai. Leistini spinduliuotės srautai. Apsaugos metodai.
3.3. Bėgių įtaisų nuotraukų automatinio apdorojimo metodai. Mechaninės-optinės ir elektroninės nuskaitymo sistemos su duomenų išvedimu į kompiuterį.
3.4. Fizinės instaliacijos su automatiniu duomenų išvedimu į kompiuterį. Saugojimo įrenginių tipai. Įvairių klasių kompiuterių naudojimas informacijai priimti, išankstiniam apdorojimui ir kaupimui, taip pat kontrolei ir valdymui.
Eksperimentinių duomenų apdorojimo metodai
4.1. Pagrindinės matematinės statistikos sąvokos. Statistinių įverčių teorija ir hipotezių tikrinimas. Didžiausios tikimybės metodas. Eksperimento planavimas.
4.2. Fizinių rezultatų apdorojimo ir analizės matematinių programų sistemos. Dalelių pluoštų geometrinė rekonstrukcija. Tam tikros klasės įvykių atpažinimo sistema. Fizinių rezultatų analizė.
VIII. Pagrindinė informacija
eksperimentinėje branduolio fizikoje
Pagrindinės elementariųjų dalelių savybės
1.1. Įkrautų dalelių judėjimas elektriniuose ir magnetiniuose laukuose; judesio lygtis.
1.2. Įkrautų dalelių sąveika su medžiaga. Jonizacijos nuostoliai ir sunkiųjų dalelių diapazonas; beta dalelių prasiskverbimas per medžiagą. Neutralių dalelių sąveika su medžiaga.
1.3. Elementariosios dalelės ir branduoliai. Pagrindinės branduolių savybės. Fizikinės dalelių savybės: krūviai, masė, sukinys, paritetas, izospinas. Dalelių gyvavimo laikas.
Elementariųjų dalelių registravimo metodai
2.1. Įkrautų ir neutralių dalelių registravimo metodai.
2.2. Dujiniai skaitikliai ir jų tipai. jonizacijos kameros. Dujomis užpildytos kameros su optiniu informacijos gavimo metodu. Kibirkšties ir srovių kameros.
2.3. Dujomis užpildytos kameros su elektroniniais informacijos gavimo būdais. Daugialaidės kibirkštinės, proporcinės ir dreifo kameros.
2.4. Scintiliacijos ir Čerenkovo detektoriai. Fotodaugintuvai.
2.5. Puslaidininkiniai detektoriai. Pozicijos jautrumas
detektoriai.
2.6. Dalelių registravimas naudojant burbulų kameras.
Matavimo rezultatų statistinis apdorojimas
3.1. Tikimybių teorijos pagrindai. atsitiktiniai dydžiai. Pagrindiniai atsitiktinių dydžių pasiskirstymo dėsniai: Puasono binominis skirstinys, Gauso skirstinys.
3.2. Matavimo paklaidų teorijos pagrindai.
3.3. Registravimo sistemų klaidingų skaičiavimų teorijos pagrindai.
IX. Bendroji radijo elektronika ir kompiuterių inžinerija
(pagal techninę mokslo šaką)
Elektros grandinių ir grandinių skaičiavimo metodai
1.1. Linijinių elektros grandinių analizė. lygiavertės schemos. Kirchhoffo dėsniai, ekvivalentinio generatoriaus teorema, mazgo potencialo metodas, kilpos srovės metodas. Keturkampiai.
1.2. Elektrinių signalų analizė. Delta funkcija ir žingsnio funkcija. Furjė transformacija.
1.3. Signalų perdavimas linijinėmis sistemomis. Diferencialinės lygtys, apibūdinančios procesus elektros grandinėse. Tiesinės sistemos impulsinis atsakas. Superpozicijos integralas. Sutraukti formulę. Perdavimo funkcija. Laikini procesai ilgose grandinėse.
1.4. Operatyvinio skaičiavimo pagrindai. Laplaso transformacija.
1.5. Logikos algebros pagrindai. Loginių elektroninių grandinių sudarymas.
Puslaidininkiai
2.1.Puslaidininkinių įtaisų fiziniai veikimo principai. Jų klasifikacija.
2.2. puslaidininkiniai diodai. Veikimo principas, pagrindinės charakteristikos, parametrai ir veikimo režimai. Diodų tipai: impulsiniai diodai, krūvio kaupimo diodai, tuneliniai diodai, zenerio diodai, šviesos diodai ir kt. Taikymo pavyzdžiai.
2.3. bipoliniai tranzistoriai. Veikimo principas, pagrindinės charakteristikos, parametrai ir veikimo režimai. Komutavimo grandinės, lygiavertės grandinės, darbas tiesiniu ir raktiniu režimais. Triodų tipai. Jų taikymo pavyzdžiai.
2.4. Lauko efekto tranzistoriai. Veikimo principas, lauko tranzistorių tipai. Pagrindinės charakteristikos, parametrai ir veikimo režimai. Taikymo pavyzdžiai.
2.5. Kiti puslaidininkinių įtaisų tipai: dinistorius, tiristorius, sujungimo tranzistorius ir kt. Pagrindinės jų charakteristikos ir parametrai. Taikymo pavyzdžiai.
integrinių grandynų
3.1. Hibridiniai ir monolitiniai integriniai grandynai. Monolitinės integrinės grandinės dvipolių ir MIS tranzistorių pagrindu, jų savybės. Įvairių tipų integrinių grandynų gamybos technologija.
3.2. Analoginės integrinės grandinės: diferencialiniai ir operaciniai stiprintuvai, įtampos reguliatoriai, keitikliai iš kodo į analogą ir iš analogo į kodą. Pagrindiniai jų parametrai, taikymo pavyzdžiai.
3.3. Loginiai integriniai grandynai. Jų klasifikacija pagal grandinės konstrukciją. Pagrindiniai parametrai. Grandinės greitis. Loginių elementų sistema. Trigerių tipai. Taikymo pavyzdžiai.
3.4. Vidutinio integravimo laipsnio integriniai grandynai: skaitikliai, registrai, jungikliai, dekoderiai, sumatoriai ir kt.
3.5. Integruotos grandynos su dideliu integracijos laipsniu: sudėtingi loginiai įrenginiai, atminties įrenginiai, mikroprocesoriai ir kt. Būdai, kaip dar labiau padidinti integracijos laipsnį.
Branduolinių dalelių fizikoje ir elementariųjų dalelių fizikoje, taip pat daugelyje mokslo sričių, kurios savo praktikoje naudoja radioaktyviąsias daleles (medicina, kriminalistika, pramonės kontrolė ir kt.), reikšminga vieta skiriama įelektrintų dalelių aptikimui, identifikavimui, spektrinei analizei. didelės energijos dalelės ir fotonai (rentgeno spinduliai ir gama spinduliai). Pirmiausia pažvelkime į rentgeno ir gama spindulių detektorius, o tada į įkrautų dalelių detektorius.
Rentgeno ir gama spinduliuotės detektoriai.
Klasikinis urano ieškotojo įvaizdis – papilkėjęs, karščio draskomas individas, klajojantis po dykumą su Geigerio skaitikliu rankoje. Šiandien detektorių srityje padaryta didelė pažanga. Visuose šiuolaikiniuose detektoriuose naudojamas toks efektas: į detektorių patenkančio fotono energija panaudojama atomui jonizuoti, o dėl fotoelektrinio efekto išspinduliuojamas elektronas. Įvairių tipų jutikliuose šis elektronas apdorojamas skirtingai.Ryžiai. 15.19 val. Proporcingas dalelių skaitiklis.
Jonizacijos kamera, proporcinis skaitiklis, Geigerio skaitiklis. Šiuos detektorius sudaro (paprastai) kelių centimetrų skersmens cilindrinė kamera, kurios centre eina plona viela. Kamera užpildoma bet kokiomis dujomis arba jų mišiniu. Viena vertus, yra siauras „langas“, pagamintas iš medžiagos, kuri perduoda jus dominančią spinduliuotę (plastiko, berilio ir kt.). Centrinis laidas turi teigiamą potencialą ir yra prijungtas prie kokios nors elektroninės grandinės. Tipiška tokio detektoriaus konstrukcija parodyta fig. 15.19 val.
Kai kameroje atsiranda spinduliuotės kvantas, jis jonizuoja atomą ir išspinduliuoja fotoelektroną, kuris vėliau išskiria energiją, jonizuoja dujų atomus, kol baigiasi energijos atsargos. Pasirodo, kad elektronas išskiria apie 20 V energijos vienai sukuriamai elektronų ir jonų porai, todėl bendras fotoelektrono išleistas krūvis yra proporcingas energijai, kurią spinduliuotė iš pradžių nešė. Jonizacijos kameroje šis krūvis surenkamas ir sustiprinamas krūvio stiprintuvu (integratoriumi), kuris veikia ir kaip fotodaugiklis. Taigi išėjimo impulsas yra proporcingas spinduliuotės energijai. Panašiai veikia ir proporcinis skaitiklis, tačiau ant jo centrinio laido palaikoma aukštesnė įtampa, todėl prie jo pritraukti elektronai sukelia papildomą jonizaciją ir gaunamas signalas yra didelis. Krūvio dauginimo efektas leidžia naudoti proporcingus skaitiklius esant žemai spinduliavimo energijai (kilovotų ir mažesnės eilės), kai negalima naudoti jonizacijos skaitiklių. Geigerio skaitiklyje centriniame laide palaikoma pakankamai aukšta įtampa, kuriai esant bet kokia pradinė jonizacija sukuria didelį vieną išėjimo impulsą (fiksuotos vertės). Tokiu atveju jūs gaunate gražų didelį išėjimo impulsą, bet neturite jokios informacijos apie rentgeno energiją.
Per sek. 15.16 paveiksle būsite supažindinti su įdomiu įrankiu, vadinamu impulsų pločio analizatoriumi, kuris leidžia konvertuoti įvairaus pločio impulsų seką į histogramą. Jei impulso plotis yra dalelės energijos matas, tai su tokiu prietaisu negauname nieko daugiau, tik energijos spektrą! Taigi proporcinio skaitiklio (bet ne Geigerio skaitiklio) pagalba galima atlikti spektrografinę spinduliuotės analizę.
Panašūs dujomis užpildyti skaitikliai naudojami energijos verčių diapazone nuo iki. Proporcinių skaitiklių skiriamoji geba yra maždaug 15% esant energijos vertei (bendras spinduliuotės kalibravimas, kurį suteikia geležies-55 skilimas). Jie yra nebrangūs ir gali būti labai dideli arba labai maži, tačiau jiems reikalingas labai stabilus maitinimo šaltinis (dauginimas auga eksponentiškai didėjant įtampai) ir nėra labai greiti (didžiausias įmanomas skaičiavimo greitis yra maždaug 25 000). /Su).
Scintiliatoriai. Scintiliatoriai fotoelektrono, Komptono elektrono ar elektronų-pozitronų poros energiją paverčia šviesos impulsu, kurį suvokia prie prietaiso prijungtas fotodaugiklis.
Dažnas scintiliatorius yra kristalinis natrio jodidas, legiruotas taliu. Kaip ir proporciniame skaitiklyje, šiame daviklyje išėjimo impulsas yra proporcingas gaunamai rentgeno (arba gama) spinduliavimo energijai, o tai reiškia, kad spektrografinė analizė gali būti atliekama naudojant impulso pločio analizatorių (15.16 sek.). Paprastai kristalas užtikrina 6% skiriamąją gebą, kai energijos vertė yra 1,3 MeV (įprastas gama spindulių kalibravimas, užtikrinantis skilimą) ir naudojamas energijos diapazone nuo iki kelių GeV. Šviesos impulso trukmė yra , todėl šių detektorių greitis yra gana didelis. Kristalai gali būti įvairaus dydžio – iki kelių centimetrų, tačiau jie stipriai sugeria vandenį, todėl juos reikia laikyti uždarytus. Dėl to, kad šviesą reikia kažkaip pašalinti, kristalai dažniausiai tiekiami metaliniame korpuse su langu, uždarytu plona aliuminio arba berilio plokštele, kurioje yra integruotas fotodaugiklis.
Scintiliatoriuose taip pat naudojami plastikai (organinės medžiagos), kurie išsiskiria tuo, kad yra labai nebrangūs. Jų skiriamoji geba yra prastesnė nei natrio jodido, ir jie dažniausiai naudojami tais atvejais, kai susiduriama su energija, viršijančia 1 MeV. Šviesos impulsai labai trumpi – jų trukmė maždaug 10 ns. Biologiniuose tyrimuose skysčiai („kokteiliai“) naudojami kaip scintiliatoriai. Šiuo atveju tiriama medžiaga radioaktyvumui sumaišoma su „kokteiliu“, kuris dedamas į tamsią kamerą su fotodaugintuvu. Biologinėse laboratorijose galima rasti labai gražių prietaisų, kuriuose procesas yra automatizuotas; Į jas per skaitiklio kamerą viena po kitos dedamos įvairios ampulės ir fiksuojami rezultatai.
Kietojo kūno detektoriai. Kaip ir kitose elektronikos srityse, rentgeno ir gama spindulių aptikimą pakeitė silicio ir germanio puslaidininkių technologijų pažanga. Kietojo kūno detektoriai veikia lygiai taip pat, kaip ir klasikinės jonizacijos kameros, tačiau kameros aktyvusis tūris šiuo atveju užpildomas nelaidžiu (grynu) puslaidininkiu. Taikomas 1000 V potencialas sukelia jonizaciją ir generuoja krūvio impulsą. Naudojant silicį, elektronas praranda tik apie 2 eV vienai elektronų ir jonų porai, o tai reiškia, kad esant tokiai pačiai rentgeno energijai, susidaro daug daugiau jonų nei proporcingame dujomis užpildytame detektoriuje, o dėl to gaunama geresnė energijos skiriamoji geba. į reprezentatyvesnę statistiką. Kai kurie kiti, mažiau reikšmingi efektai taip pat prisideda prie instrumento veikimo.
Gaminamos kelios kietojo kūno detektorių rūšys: pagrįstos (vadinamu), ("lived-li") ir grynu germaniu (arba IG), kurie skiriasi vienas nuo kito puslaidininkine medžiaga ir priemaišomis, naudojamomis izoliacinėms savybėms užtikrinti. Visi jie veikia skysto azoto temperatūroje, o visų tipų ličio legiruoti puslaidininkiai turi būti nuolat šalti (aukštesnė temperatūra detektorių veikia taip pat blogai, kaip ir šviežia žuvis). Įprastų detektorių, kurių pagrindas yra , skersmuo yra nuo 4 iki 16 mm ir jie naudojami energijos diapazone nuo 1 iki . IG pagrįsti detektoriai naudojami dirbant su didesne energija, nuo iki 10 MeV. Gerų detektorių skiriamoji geba yra 150 eV, kai energijos vertė yra 6–9 kartus geresnė nei proporcingų skaitiklių, germanio detektorių skiriamoji geba yra maždaug 1,3 MeV energijos vertės.
Ryžiai. 15.20 val. Nerūdijančio plieno lakšto rentgeno spindulių spektras, gautas naudojant proporcingą argono skaitiklį ir detektorių, pagrįstą .
Norėdami parodyti, ką sukuria tokia didelė skiriamoji geba, nerūdijančio plieno lakštą bombardavome 2 MeV protonais ir išanalizavome gautą rentgeno spektrą. Šis reiškinys vadinamas rentgeno spinduliuote dėl protonų ir yra galingas medžiagų analizės įrankis, kuriame naudojamas abipusis elementų spektrų išdėstymas. Ant pav. 15.20 rodomas energijos spektras (gautas naudojant impulsų pločio analizatorių), kiekvienas elementas atitinka du matomus rentgeno impulsus, bent jau naudojant detektorių, pagrįstą . Grafike galite pamatyti geležį, nikelį ir chromą. Jei apatinė grafiko dalis yra padidinta, tada galima pamatyti kitus elementus. Naudojant proporcingą skaitiklį, gaunama „košė“.
Ryžiai. 15.21 iliustruoja panašią gama detektorių situaciją.
Ryžiai. 15.21 val. Kobalto-60 gama spektras, gautas naudojant natrio jodido scintiliatorių ir Ge(Li) detektorių. (Iš Canberra Ge(Li) Detector Systems brošiūros, kurią pateikė Canberra Industries, Inc.)
Ryžiai. 15.22 val. Kriostatas su jutikliu. (Canberra Industries sutikimas, )
Šį kartą scintiliatorius, pagrįstas pagrindu, ir jutiklis, pagrįstas, yra lyginami vienas su kitu. Kolegos iš Canberra Industries padėjo mums gauti šią diagramą. Esame dėkingi ponui Tenčui. Kaip ir ankstesniu atveju, raiškos pranašumas pasirodė esantis kietojo kūno detektorių pusėje.
Kietojo kūno detektoriai turi didžiausią energijos skiriamąją gebą tarp visų rentgeno ir gama spindulių detektorių, tačiau jie turi ir trūkumų: maža aktyvi zona dideliame ir nepatogiame kūne (žr., pvz., 15.22 pav.), santykinai mažas greitis. (atkūrimo laikas yra daugiau), didelė kaina ir, be to, reikia sukaupti daug kantrybės, kad su jais dirbtumėte (bet galbūt norėsite prižiūrėti skysto azoto „ryjančiąją“, kas žino).
Įkrautų dalelių detektoriai.
Detektoriai, kuriuos ką tik aprašėme, yra skirti fotonų (rentgeno ir gama spindulių), bet ne elementariųjų dalelių, energijai nustatyti. Dalelių detektorių išvaizda šiek tiek skiriasi; be to, įkrautos dalelės yra nukreipiamos elektrinių ir magnetinių laukų pagal jų krūvį, masę ir energiją, todėl daug lengviau išmatuoti įkrautų dalelių energiją.Detektoriai su paviršiaus energijos barjeru. Šie germanio ir silicio detektoriai yra panašūs į tuos iš . Tačiau jų nereikia vėsinti, o tai labai supaprastina įrenginio dizainą. (Ir jūs gaunate galimybę gauti laisvo laiko!) Detektoriai su paviršiaus energijos barjeru gaminami nuo 3 iki 50 mm skersmens. Jie naudojami energijos diapazone nuo 1 MeV iki šimtų MeV, jų skiriamoji geba yra nuo 0,2 iki 1%, o alfa dalelių energijos vertė yra 5,5 MeV (bendras energijos kalibravimas, kurį užtikrina americio-241 skilimas).
Čerenkovo detektoriai. Esant labai didelei energijai (1 GeV ir daugiau), įkrauta dalelė gali aplenkti šviesą materialioje terpėje ir sukelti Čerenkovo spinduliuotę – „matomą smūgio bangą“. Jie plačiai naudojami didelės energijos fizikos eksperimentuose.
jonizacijos kameros. Klasikinė dujų užpildyta kamera, kurią aptarėme aukščiau, susijusią su rentgeno spinduliais, taip pat gali būti naudojama kaip įkrautų dalelių detektorius. Paprasčiausia jonizacijos kamera susideda iš kameros, užpildytos argonu, ir vielos, einančios per visą jos ilgį. Priklausomai nuo to, su kokia energija kamera skirta dirbti, jos ilgis gali būti nuo kelių centimetrų iki kelių dešimčių centimetrų; kai kuriuose prietaiso variantuose naudojamas ne vienas, o keli laidai ar plokštės ir kitos užpildo dujos.
Dušo kameros. Dušo kamera yra elektroninis jonizacijos kameros atitikmuo. Elektronas patenka į kamerą, užpildytą skystu argonu, ir sukuria įkrautų dalelių „dušą“, kurios vėliau traukiamos į įkrautas plokšteles.
Didelės energijos sferos specialistai tokius prietaisus mėgsta vadinti kalorimetrais.
scintiliacijos kameros. Įkrautą dalelę galima aptikti labai gera energijos skiriamąja geba naudojant fotodaugiklius ultravioletinių blyksnių pagalba, kuri atsiranda, kai įkrauta dalelė juda kameroje, užpildytoje skystu ar dujiniu argonu ar ksenonu. Scintiliacijos kameros yra greitesnės nei jonizacijos ir dušo kameros.
Drifto kameros. Tai naujausias pasiekimas didelės energijos fizikos srityje, kurį lėmė pažanga didelės spartos interaktyviųjų skaičiavimo sistemų srityje. Jų koncepcija paprasta: kamera, kurioje yra atmosferos slėgio dujos (įprastas argono ir etano mišinys) ir daug laidų su įtampa. Kameroje veikia elektriniai laukai, o kai į ją patenka įkrauta dalelė, jonizuojanti dujas, jonai yra laidų veikimo sferoje. Išilgai visų laidų sekamos signalų amplitudės ir laiko momentai (čia į pagalbą ateina kompiuteris), o šios informacijos pagrindu sudaroma dalelės judėjimo trajektorija. Jei kameroje vis dar yra magnetinis laukas, tada galima nustatyti ir impulsą.
Dreifo kamera laimėjo universalaus įkrautų dalelių detektoriaus poziciją didelės energijos fizikoje. Jis gali užtikrinti 0,2 mm ar didesnę erdvinę skiriamąją gebą, kai tūriai tinka net jums.
Rusų kalba išleistoje mokslinėje ir mokomojoje literatūroje yra labai mažai publikacijų šios knygos tema, jos jau seniai tapo bibliografine retenybe.
Šis leidinys palankiai išsiskiria detektorių sistemų veikimo principų pristatymo išbaigtumu, sisteminiu jų techninio projekto ir praktinio įgyvendinimo aprašymu bei jų apimties aptarimu.
Knygoje yra išsami bibliografija (daugiau nei 600 nuorodų į knygų publikacijas ir originalius straipsnius šiuolaikiniuose fizikos žurnaluose) ir žodynėlis, kuriame pateikiama glausta informacija apie kiekvieno nagrinėjamo detektorių tipo apimtį, pranašumus ir trūkumus.
Tai puikus mokomasis ir informacinis vadovas visiems, kurie savo praktikoje naudoja radiacijos ir elementariųjų dalelių detektorius.
Dalelių ir spinduliuotės sąveika su medžiaga.
Dalelės ir spinduliuotė negali būti registruojamos tiesiogiai, o tik sąveikaujant su medžiaga. Įkrautų dalelių sąveika paprastai skiriasi nuo neutralių dalelių, tokių kaip fotonai, sąveikos. Kiekvienas sąveikos procesas gali būti tam tikro aptikimo pagrindas. Egzistuoja daug skirtingų sąveikos tipų ir dėl to daug dalelių ir spinduliuotės detektorių. Be to, tai pačiai dalelei, esant skirtingoms energijoms, skirtingos sąveikos rūšys gali atlikti svarbų vaidmenį.
Šiame skyriuje bus išsamiai aptariami pagrindiniai dalelių sąveikos su medžiaga mechanizmai. Kai kurie efektai bus paminėti aprašant konkrečius detektorių tipus. Iš pirmųjų principų negausime skerspjūvių išraiškų, o tik pateiksime galutinius rezultatus tokia forma, kokia jie taikomi dalelių detektoriams.
Turinys
Vertimo redaktorių pratarmė Į rusišką leidimą įžanga Autoriaus įžanga Įvadas
1 Dalelių ir spinduliuotės sąveika su medžiaga
1.1 Įkrautų dalelių sąveika su medžiaga
1.1.1 Energijos nuostoliai jonizuojant ir sužadinant
1.1.2 Specifinė jonizacija
1.1.3 Daugkartinis išsibarstymas
1.1.4 Išjungimas
1.1.5 Tiesioginė elektronų ir pozitronų porų gamyba
1.1.6 Energijos nuostoliai dėl fotobranduolinės sąveikos
1.1.7 Bendras energijos nuostolis
1.1.8 Įkrautų dalelių nuotolio ir energijos santykis
1.2 Fotonų sąveika
1.2.1 Fotoelektrinis efektas
1.2.2 Komptono efektas
1.2.3 Porų gimimas
1.2.4 Bendras fotonų sugerties skerspjūvis
1.3 Stipri hadronų sąveika
1.4 Dreifas ir difuzija dujose
2 Pagrindinės dalelių detektorių savybės
3 radiacijos vienetai
4 Detektoriai jonizacijai ir bėgių kelio matavimams
4.1 Jonizacijos kameros
4.2 Proporciniai skaitikliai
4.3 Geigerio skaitikliai
4.4 Streamer vamzdeliai
4.5 Skysčių dalelių registravimas
4.6 Daugialypės proporcingos kameros
4.7 Plokščios dreifo kameros
4.8 Cilindriniai vielos narveliai
4.8.1 Cilindrinės proporcinės ir dreifo kameros
4.8.2 Purkštuko dreifo kameros
4.8.3 Laiko projekcijos kameros (TPC)
4.9 Laiko projekcijos kameros su optiniu imtuvu
4.10 Senėjimo poveikis vielos kamerose
4.11 Burbulų kameros
4.12 Debesų kameros
4.13 Srautinio vaizdo kameros
4.14 Išleidimo vamzdžių kameros
4.15 Kibirkšties kameros
4.16 Branduolinės emulsijos
4.17 Sidabro halogenido kristalai
4.18 Rentgeno juostos
4.19 Termoliuminescenciniai detektoriai
4.20 Radijo fotoliuminescenciniai detektoriai
4.21 Plastikiniai detektoriai
4.22 Jonizacijos ir bėgių kelio matavimo detektorių palyginimas
5 Laiko matavimai
5.1 Fotodaugintuvai
5.2 Scintiliacijos skaitikliai
5.3 Plokšti kibirkšties matuokliai
6 Dalelių identifikavimas
6.1 Neutronų skaitikliai
6.2 Neutrinų detektoriai
6.3 Skrydžio laiko skaitikliai
6.4 Čerenkovo skaitikliai
6.5 Pereinamosios spinduliuotės detektoriai (TRD)
6.6 Atskyrimas pagal energijos nuostolius
6.7 Dalelių identifikavimo metodų palyginimas
7 Energijos matavimas
7.1 Kietojo kūno detektoriai
7.2 Elektronų ir fotonų kalorimetrai
7.3 Hadronų kalorimetrai
7.4 Dalelių identifikavimas kalorimetrais
7.5 Kalorimetrų kalibravimas ir stebėjimas
7.6 Kriogeniniai kalorimetrai
8 Pulso matavimas
8.1 Magnetiniai spektrometrai, skirti eksperimentams su fiksuotu taikiniu
8.2 Magnetiniai spektrometrai, skirti specialioms reikmėms
9 Elektronika
10 Informacijos apdorojimas
A priedas: Pagrindinių fizinių konstantų lentelė
B priedas: fizikinių dydžių ir jų vienetų apibrėžimas
Bibliografija
Abėcėlinė rodyklė.
Nemokamai atsisiųskite elektroninę knygą patogiu formatu, žiūrėkite ir skaitykite:
Atsisiųskite knygą Dalelių detektoriai, Reference Edition, Groupen K., 1999 - fileskachat.com, greitai ir nemokamai atsisiųskite.
Pirmas straipsnis iš žadėto ciklo apie tai, ką aš darau. Skirtingai nuo straipsnių istorinėmis temomis, šaltinių čia nepridėsiu. Labai abejoju, ar kas nors norės patikrinti mano žodžius specialioje literatūroje, ypač anglų kalba.
Klausas Grupenas. Dalelių detektoriai (išversta į rusų kalbą, google; mūsų pagrindinė pamoka) K.N. Mukhin „Eksperimentinė branduolinė fizika“ (šiek tiek pasenusi, bet gerai parašyta)
Rašydamas šią straipsnių seriją vadovaujuosi tuo, kad skaitytojas išmano fiziką kiek didesniu kiekiu nei mokyklos programa. Pavyzdžiui, instituto mechanikos kursas. Nuoširdžiai stengiausi, kad tai būtų kuo populiaresnė, bet vis tiek reikia kažką žinoti.
Kokios dalelės registruojamos detektoriuose
Turėjo būti keli įžanginiai žodžiai apie tai, kad visos medžiagos susideda iš atomų, o kažkur šiuose atomuose slypi elementarios dalelės, kurios yra tokios mažos, kad norint jas iš ten ištraukti, reikia statyti didelius įrenginius. Čia tokių žodžių nebus, nes tai daugiau ar mažiau žinoma informacija, kurios dėstoma mokykloje. Yra daug įvairių elementariųjų dalelių, jos yra sudėtinės ir paprastos, tai yra, fundamentalios.
Galbūt skaitytojas žino, kas yra kvarkai, leptonai ir pagrindiniai bozonai. Jei ne, prieš skaitydami galite pasišviesti. Bet nebūtinai. Mat detektoriuose galime stebėti tik tas daleles, kurios per savo gyvenimą spėja jas pasiekti. Iš pagrindinių: elektronas, miuonas, fotonas, neutrinas. Gravitonai teoriškai taip pat pasiekia, bet gravitacinių bangų paieška yra atskira daina, o ne mūsų dalis. Taip pat galima stebėti sudėtines daleles, sudarytas iš kelių kvarkų. Aukščiau esančioje lentelėje sudėtines daleles galima rasti po „mezonais“ ir „barionais“. Mezonas yra dviejų kvarkų surišta būsena, o barionas – trijų. Tai neapima trumpaamžių dalelių, vadinamų rezonansais: pilnas jų sąrašas užimtų per daug vietos.
Dalelės, kurias registruojame detektoriuose, gali turėti labai skirtingą greitį, bet, žinoma, ne didesnį nei šviesos greitis. Judant beveik šviesos greičiu, dalelė gali skristi maždaug 10^8 metrų per sekundę atstumu. Arba, atvirkščiai, keli metrai per 10^-8 sekundes. 10^-10 sekundžių gyvavimo trukmės dalelė, gimusi akceleratoriuje, spindulių sąveikos taške, net ir atsižvelgiant į reliatyvistinį laiko išsiplėtimą neturės laiko skristi tų metrų, kurie ją skiria nuo detektoriaus. Todėl iš visų hadronų tik registracija yra praktiška. protonai, pionai (įkrauti), kaonai ir neutronai. Iš jų reikėtų atkurti likusį įvykių vaizdą.
Kalorimetrija
Nors pirmas dalykas, kurį išgirdote apie dalelių fiziką, greičiausiai yra susijęs su LHC, ši fizika jokiu būdu nėra išnaudota eksperimentais su didelės energijos protonų pluoštais. Taip pat atliekami eksperimentai su elektronų pluoštais, yra neutrinų observatorijos. Tačiau įspūdingiausias vaizdas yra tik protonų pluoštų susidūrimas. Kiekviename pluošte yra daug protonų (tikslus skaičius priklauso nuo instaliacijos), kiekviename protone yra trys kvarkai, jiems susidūrus jie yra labai arti ir matome tokį vaizdą.
Na, tai yra įvykio rekonstrukcija. Kiekviena linija yra takelis, trajektorija, kuria kažkas judėjo. Išnarplioti šį raizginį – atskira užduotis, bet pirmiausia reikia bent jau tai pamatyti. Juk, žinoma, joks mikroskopas nepadės žmogaus akiai atskirti 10^-13 metrų dydžio dalelę, skrendančią beveik šviesos greičiu. Tačiau tokios dalelės patekimas į švino plokštę ar net tik oro sluoksnį esant atmosferos slėgiui sukelia pasekmes, kurias jau galime pastebėti.
Patekusi į medžiagos sluoksnį, dalelė skirs energiją dėl įvairių procesų. Galima išmatuoti dalelės energiją užfiksavus ją pakankamai storu sluoksniu. Detektoriai, kuriuose tai vyksta, vadinami kalorimetrais. Pagal specializaciją kalorimetrai skirstomi į elektromagnetinius ir hadroninius, pagal prietaisą – į vienarūšius ir nevienalyčius. Vienalytis kalorimetras yra tiesiog materijos sluoksnis. Heterogeninis (atrankos kalorimetras) susideda iš kelių sluoksnių, tarp kurių yra sugeriantis ir registruojantis. Kalorimetras gali naudoti ne tik kietą kūną, bet ir skystį, ir net dujas. Tai yra, sluoksnis gali būti visai ne plokštė. Supraskime, kas vyksta kalorimetre.
Jonizacijos praradimas
Paprasčiausias procesas, susijęs su visomis įkrautomis dalelėmis, yra jonizacija. Jonizacijos metu krintanti dalelė dalį savo energijos perduoda medžiagos atomo elektronui, kurios pakanka, kad ji taip pat išeitų iš atomo. Jau pasirodys dvi dalelės, kurių kiekviena savo ruožtu gali sukelti jonizaciją. Tuo pačiu metu maksimali energija, kurią galima perduoti elektronui atome, yra ribojama išsaugojimo dėsnių.
Kalbame tik apie kinetinę energiją, nes elektronas jau egzistuoja atome, o jo gimimui energija neeikvojama. Čia E yra bendra krintančios dalelės energija, p yra jos impulsas, m yra masė. Likusi dalis yra krintančios dalelės beta ir gama faktoriai, elektrono masė ir šviesos greitis. Taigi energija, kurią krintanti dalelė gali perduoti elektronui, yra mažesnė, tuo mažesnė jos masė. Šiuo atveju kuo didesnė energija, tuo skirtumas mažesnis, o ultrareliatyvistiniu atveju visa energija gali būti perkelta į elektroną. Ypatingą vaidmenį atlieka atsitiktiniai elektronai, kurių formulė supaprastinta, pereinant į klasikinę vienodos masės dalelių centrinio susidūrimo formulę. Didžiausia perduota kinetinė energija įtraukta į apytikslę Bethe-Bloch formulę, kuri apibūdina dalelių nuostolius dėl jonizacijos. 
K sudarytas iš konstantų. X reiškia ilgį, padaugintą iš tankio. Z ir A yra krūvis ir atominiai skaičiai, I yra vidutinė jonizacijos energija. Šie parametrai apibūdina konkrečią medžiagą. Kritančios dalelės energetinė priklausomybė yra netiesiogiai nurodyta beta ir gama faktoriais. Beta koeficientas yra dalelės greitis šviesos greičio vienetais. Gama faktorius – dar žinomas kaip Lorenco faktorius – yra gerai žinomas reliatyvistinės kinematikos daugiklis. Didėjant dalelės energijai, beta faktorius linkęs į vienybę, o gama – į begalybę. Regione, kuriame beta faktorius labai skiriasi nuo vieneto, gama koeficientas yra mažas. Kol greitis yra toli nuo šviesos greičio, atvirkštinis proporcingumas greičio kvadratui lemia energijos praradimo funkcijos elgesį. Tai galima suprasti taip, kad greita dalelė mažiau laiko praleidžia branduolio Kulono lauke ir ją sunkiau užfiksuoti. Kai greitis artėja prie šviesos, beta koeficientas beveik nesikeičia, o gama koeficientas sparčiai kyla, o logaritminis narys tampa lemiamas. Tai yra, sąveikos skerspjūvio padidėjimas energingesnėms dalelėms. Pasirodo, kažkas tokio.
Šiame paveikslėlyje galite pamatyti, ką Bethe-Bloch formulė suteikia įvairioms medžiagoms ir dalelėms. Iš tiesų, jei medžiagos parametrai yra skirtingose vietose, tada dalelės masė yra tik vienoje. Todėl ašį, išilgai kurios brėžiama beta ir gama faktorių sandauga, tai yra sumažintas impulsas, galima tiesiog perkelti. Šiuo atveju, kuo dalelė sunkesnė, tuo labiau ją reikės perkelti, o skalė yra logaritminė. Tai yra, didėjant energijai, miuonų jonizacijos minimumas atsiranda daug greičiau nei elektronų. Atrodo, kad protonų atveju jis nėra greitesnis. Tik čia pats protonas yra du tūkstančius kartų sunkesnis už elektroną ir beveik dešimt kartų sunkesnis už miuoną, todėl absoliučiomis impulso vertėmis skalė bus pasislinkusi taip pat, kaip ir su miuonu ar pionu.
Bremsstrahlung
Jonizacijos nuostoliai dominuoja mažos energijos dalelėms. Tai elastingos sąveikos, dėl kurių negimsta naujos dalelės. Tačiau greitai įkraunamos dalelės sąveika su branduolio Kulono lauku gali generuoti fotonus. Procesas vadinamas bremsstrahlung. Fotonas neša energiją ir pats gali sąveikauti su medžiaga. Energijos nuostoliai dėl bremsstrahlung apskaičiuojami taip:
Z, A - tas pats, kas aukščiau; z,m, E – krintančios dalelės krūvis, masė ir energija. Bremsstrahlung nuostoliai tiesiškai priklauso nuo E, todėl dominuoja esant didelei energijai. Bet skaitine prasme jie yra atvirkščiai proporcingi krintančios dalelės masės kvadratui. Dar kartą prisiminkime, kad miuonas ir pionas yra dviem dydžiais sunkesni už elektroną, o protonas – trimis dydžiais sunkesni. Tai suteikia atitinkamai keturių ir šešių dydžių skirtumą. Todėl ir jonizacija, ir bremsstrahlung gerai veikia elektroną, kuris, eidamas per materiją, sukuria tikrus dalelių: fotonų ir elektronų lietus. Norint efektyviai aptikti masyvias daleles, reikia ieškoti kitų metodų. Pionas ir protonas dalyvauja stiprioje sąveikoje, tačiau šis skaičius neveikia su miuonu. Belieka daug kartų padidinti įrengimą. 
Sektorių detektorius TVS, kad įvertintų problemos mastą. Žaliojo sluoksnio pakanka, kad elektronai prarastų savo energiją. Hadronams užtenka geltonos spalvos. Viskas, kas yra už tai, yra miuonų sistema.
Fotonai ir elektromagnetiniai dušai
Fotonas yra šviesos kvantas. Šviesa yra ta pati, kurią matome žmogaus akimis, tik energijos (ir dažniai) skiriasi. Tokių energijų fotonas, patekęs į akį, pradės daug blogų procesų. Pagrindiniai iš jų yra:
- Fotoelektrinis efektas yra elektronų emisija iš akies atomų. Dominuoja esant žemai energijai.
- Komptono efektas – elastinga fotono sklaida ant elektronų, sudarančių akies atomus. Dominuoja esant vidutinei energijai.
- Tiesioginė elektronų-pozitronų porų gamyba akies atomo Kulono lauke. Dominuoja esant didelei energijai.
Principas toks
Tai tęsiasi taip
Ir palieka tokius gražius pėdsakus
Apskritai akis, įsprausta į greitintuvą, ne tik nepamatys gama spindulių kvanto, bet, greičiausiai, niekada ir nepamatys. Tam tikras fotonas sąveikauja tik du kartus per gyvenimą: gimdamas ir sugerdamas. Tačiau išlipti iš dušo nesukuriant naujų dalelių galima tik tuo atveju, jei jo energijos neužtenka net fotoelektriniam efektui. Tada fotoną sugers atomo elektronas, perkeldamas jį į sužadinimo būseną. Paprasčiausiame dušo modelyje, kai kiekviename kitame žingsnyje gaunamos dvi dalelės, kiekvienas žingsnis sumažina vidutinę dalelių energiją per pusę. Atitinkamai, dešimt žingsnių sumažins jį trimis dydžiais. Perėjimų iš vienos orbitos į kitą energija yra keli eV. Pradinio fotono (arba elektrono) energija gali būti keli MeV ir net GeV. Tai yra, kad lietus pradėtų blėsti, turi praeiti dvidešimt ar trisdešimt žingsnių, o ypač apleistais (ta prasme, buvo paleista galinga instaliacija) atvejais - dar daugiau.
Būdingas vieno žingsnio dydis nustatomas pagal spinduliavimo ilgį – s Vidutinis ilgis, per kurį elektronas praranda (1-1/e) savo energiją stabdant strigimą arba 7/9 vidutinio laisvo fotono kelio tarp porų susidarymo. Spinduliuotės ilgis matuojamas tais pačiais vienetais, kaip ir X jonizacijos ir streso nuostolių formulėse. Norėdami išversti jį į įprastus centimetrus, turite padalyti iš tankio. Elektromagnetinis dušas gali išsivystyti per keliasdešimt spinduliuotės ilgių. Spinduliuotės ilgis paprastai skaičiuojamas dešimtimis gramų kvadratiniam centimetrui. Kalbant apie centimetrus, rezultatas gali būti labai įvairus, nes medžiagų tankis skiriasi. Taigi elektromagnetinis dušas atmosferoje gali išsivystyti per daugelį kilometrų, o švino plokštės storis, kurio pakanka tiksliai MeV elektronų kalorimetrijai, neviršija kelių dešimčių centimetrų.
Natūralu, kad miuonui, protonui ar pionui apskaičiuotas spinduliavimo ilgis būtų skirtingas dėl masės skirtumo. Praktiškai tai reikštų, kad tas pats 10 cm storio (apie 20 rad. ilgio) švino kalorimetras praskris pro šalį nepastebėdamas. Nors elektronas neišvengiamai sukeltų liūtį, kuri būtų spėjusi išsivystyti ir užgesti. Taigi, sunkiųjų dalelių kalorimetrų reikia statyti daug daugiau.
Hadronų dušai
Protonus ir pionus galima sugauti dėl to, kad jie dalyvauja ne tik elektromagnetinėje, bet ir stiprioje sąveikoje. Jeigu elektromagnetinė sąveika vyko atomo Kulono lauke, tai stiprioji – branduolinių jėgų lauke. Dauguma ten vykstančių procesų yra neelastingi, tai yra, pradinė dalelė yra absorbuojama, pagimdant keletą kitų. Tačiau yra ir tamprios sklaidos procesų.
Tokiu atveju gali gimti ne tik hadronai, bet ir fotonai bei elektronai, kurie sukels elektromagnetinius lietus. Dalelės, susidedančios iš kelių hadronų, gali išskristi, pavyzdžiui, gerai žinoma alfa dalelė – helio branduolys. Maždaug penktadalis krintančios dalelės energijos patenka į „nematomą“ branduolinių ryšių energiją, kuri kalorimetre nefiksuojama. 
Absorberio hadrono kaskados schema. Galima pamatyti pi0 mezonų generuojamus elektromagnetinius dušus
Hadrono dušo dydis apibūdinamas branduolio ilgiu, kuris sunkiųjų atomų atveju yra eilės tvarka didesnis už spinduliavimo ilgį. Tai liūdna, bet alternatyva yra nuo keturių iki šešių dydžių skirtumų tarp nuostolių. Todėl tokiu būdu matuojama stiprioje sąveikoje dalyvaujančių dalelių energija. Tikslią hadronų kalorimetriją trukdo dideli dušo raidos svyravimai. Norėdami išspręsti šią problemą, turime sugalvoti specialias svėrimo procedūras. Tačiau geriausių hadroninių kalorimetrų energijos skiriamoji geba neviršija 35% padalijus iš energijos šaknies. Tai yra eilės tvarka blogiau nei įprastos elektromagnetinių kalorimetrų vertės.
