Детектори елементарних частинок. Детектор елементарних частинок своїми руками

2.1. Газорозрядні детектори. Лічильники Гейгера-Троста, пропорційні лічильники, іонізаційні камери. Сцинтиляційні лічильники.

2.2. Черенківські лічильники. Напівпровідникові лічильники.

2.3. Трекові детектори з фільмовим зніманням інформації. Камера Вільсона, бульбашкові камери, іскрові та стрімерні камери. Метод ядерних фотоемульсій.

2.4. Безфільм камери. Пропорційні та дрейфові камери. Годоскопічні системи із сцинтиляційних та черенківських лічильників.

Методи вимірювань та математичної обробки даних

3.1. Методи спектрометричних вимірів. Магнітні спектрометри. Спектрометричні тракти вимірювань із напівпровідниковими та сцинтиляційними лічильниками з виведенням даних на ЕОМ. Методи зображення багатовимірних спектрів.

3.2. Дозиметричні виміри. Допустимі потоки випромінювань. Методи захисту.

3.3. Методи автоматичного оброблення фотографій трекових приладів. Механіко-оптичні та електронні системи сканування з виведенням даних на ЕОМ.

3.4. Фізичні установки з автоматичним виведенням даних на ЕОМ. Типи накопичувальних пристроїв. Використання різних класів ЕОМ для прийому, попередньої обробки та накопичення інформації, а також для контролю та управління.

Методи обробки експериментальних даних

4.1. Основні поняття математичної статистики. Теорія статистичних оцінок та перевірки гіпотез. Метод максимальної правдоподібності. Планування експерименту.

4.2. Системи математичних програм обробки та аналізу фізичних результатів. Геометрична реконструкція пучків частинок. Система розпізнавання певного класу подій. Аналіз фізичних результатів.

VIII. Основні відомості
з експериментальної ядерної фізики

Основні властивості елементарних частинок

1.1. Рух заряджених частинок в електричних та магнітних полях; рівняння руху.

1.2. Взаємодія заряджених частинок із речовиною. Іонізаційні втрати та пробіг важких заряджених частинок; проходження бета-частинок через речовину. Взаємодія нейтральних частинок із речовиною.

1.3. Елементарні частинки та ядра. Основні показники ядер. Фізичні властивості частинок: заряди, маса, спин, парність, ізоспін. Часи життя частинок.

Методи реєстрації елементарних частинок

2.1. Методи реєстрації заряджених та нейтральних частинок.

2.2. Газонаповнені лічильники та їх типи. Іонізаційні камери. Газонаповнені камери з оптичним методом знімання інформації. Іскрові та стрімерні камери.

2.3. Газонаповнені камери з електронними методами знімання інформації. Багатодротяні іскрові, пропорційні та дрейфові камери.

2.4. Сцинтиляційні та черенківські детектори. Фотопомножувачі.

2.5. Напівпровідникові датчики. Позиційно-чутливі
детектори.

2.6. Реєстрація частинок за допомогою бульбашкових камер.

Статистична обробка результатів вимірів

3.1. Основи теорії ймовірностей. Випадкові величини. Основні закони розподілу випадкових величин: біноміальний розподіл Пуассон, розподіл Гаусса.

3.2. Основи теорії помилок вимірів.

3.3. Основи теорії прорахунків систем, що реєструють.

IX. Загальна радіоелектроніка та обчислювальна техніка
(з технічної галузі науки)

Методи розрахунку електричних ланцюгів та схем

1.1. Аналіз лінійних електричних кіл. Еквівалентні схеми. Закони Кірхгофа, теорема про еквівалентний генератор, метод вузлових потенціалів, метод контурних струмів. Чотириполюсники.

1.2. Аналіз електричних сигналів Дельта-функція та ступінчаста функція. Перетворення Фур'є.

1.3. Передача сигналів через лінійні системи. Диференціальні рівняння, що описують процеси в електричних ланцюгах. Імпульсна характеристика лінійної системи. Інтеграл суперпозиції. Формула згортання. Передатна функція. Перехідні процеси у довгих ланцюгах.

1.4. Основи операційного обчислення. Перетворення Лапласу.

1.5. Основи логіки алгебри. Упорядкування логічних електронних схем.

Напівпровідникові прилади

2.1.Фізичні засади роботи напівпровідникових приладів. Їхня класифікація.

2.2. Напівпровідникові діоди. Принцип дії, основні характеристики, параметри та режими роботи. Різновиди діодів: імпульсні діоди, діоди з накопиченням заряду, тунельні діоди, стабілітрони, світловипромінюючі діоди та ін. Приклади застосування.

2.3. Біполярні транзистори. Принцип дії, основні характеристики, параметри та режими роботи. Схеми включення, еквівалентні схеми, робота в лінійному та ключовому режимах. Різновиди тріодів. Приклади застосування.

2.4. Польові транзистори. Принцип дії, різновиди польових транзисторів. Основні характеристики, параметри та режими роботи. Приклади застосування.

2.5. Інші різновиди напівпровідникових приладів: диністор, тиристор, одноперехідний транзистор та ін. Їх основні характеристики та параметри. Приклади застосування.

Інтегральні схеми

3.1. Гібридні та монолітні інтегральні схеми. Монолітні інтегральні схеми на основі біполярних та МДП-транзисторів, їх особливості. Технологія виробництва інтегральних схем різних типів.

3.2. Аналогові інтегральні схеми: диференціальні та операційні підсилювачі, регулятори напруги, перетворювачі код-аналог та аналог-код. Їхні основні параметри, приклади застосування.

3.3. Логічні інтегральні схеми. Їхня класифікація за схемо-технічним виконанням. Основні параметри. Швидкодія схем. Система логічних елементів. Типи тригерів. Приклади застосування.

3.4. Інтегральні схеми із середнім ступенем інтеграції: лічильники, регістри, комутатори, дешифратори, суматори та ін.

3.5. Інтегральні схеми з великим ступенем інтеграції: складні логічні пристрої, що запам'ятовують пристрої, мікропроцесори та ін. Шляхи подальшого підвищення ступеня інтеграції.

Детектор елементарних частинок

Детектор CMS, один із прикладів великого детектора елементарних частинок.

Детектор елементарних частинок, детектор іонізуючого випромінюванняв експериментальній фізиці елементарних частинок - пристрій, призначений для виявлення та вимірювання параметрів елементарних частинок високої енергії, таких як космічні промені або частинок, що народжуються при ядерних розпадах або прискорювачах.

Основні типи

Список детекторів, що працюють або будуються, для прискорювачів на зустрічних пучках

• Детектори на колайдері LHC (CERN)
• Детектори на колайдері Tevatron
• Детектори на електрон-позитронних колайдерах
  • Belle (колайдер KEKB, KEK)
  • BES (колайдер BEPC, Пекін)
  • CLEO (колайдер CESR)
  • КЕДР (колайдер ВЕПП-4, Новосибірськ)
  • КМД, СНД (коллайдер ВЕПП-2М, ВЕПП-2000, Новосибірськ)

Прикладне застосування

Крім наукових експериментів, детектори елементарних частинок знаходять застосування і в прикладних завданнях - в медицині (рентгенівські апарати з малою дозою опромінення, томографи, променева терапія), матеріалознавстві (дефектоскопія), для огляду пасажирів і багажу в аеропортах.

Література

• K. Груп. Детектори елементарних частинок. Новосибірськ. Сибірський хронограф, 1999р.
• Б. С. Ішханов, І. М. Капітонов, Е. І. Кебін, Web-публікація на основі навчального посібника Б. С. Ішханов, І. М. Капітонов, Е. І. Кебін. «Частини та ядра. Експеримент», М: Видавництво МДУ, 2005.
• Grupen, C. (June 28-July 10 1999). "Physics of Particle Detection". AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536 : 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI:10.1063/1.1361756 .

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Детектор із особливо чистого германію
• Дєтеліна

Дивитись що таке "Детектор елементарних частинок" в інших словниках:

Детектори елементарних частинок- Детектор CMS, один із прикладів великого детектора елементарних частинок. Детектор елементарних частинок, детектор іонізуючого випромінювання в експериментальній фізиці елементарних частинок пристрій, призначений для виявлення та вимірювання.

Прискорювач елементарних частинок- Погляд на прискорювальний центр Fermilab, США. Теватрон (кільце на задньому плані) і інжектор кільце. Прискорювач заряджених частинок класу пристроїв для отримання заряджених частинок (елементарних частинок, іонів) високих енергій. Сучасні прискорювачі, … Вікіпедія

Калориметр (фізика елементарних частинок)- Не слід плутати з колориметром. прилад для виміру кольору. Не слід плутати з калориметром. у теплофізиці прилад для вимірювання теплоти. Kалориметр (від лат. calor тепло та …метр) у фізиці елементарних частинок та ядерної фізики прилад, який… … Вікіпедія

Детектори (прилади для реєстрації елементарних частинок)- Детектори (прилади для реєстрації) ДЕТЕКТОРИ частинок, прилади для реєстрації елементарних частинок, ядер та квантів. Дія детектора заснована на іонізації та збудженні атомів речовини. Розрізняють детектори дискретного рахунку частинок. Ілюстрований енциклопедичний словник

Детектор- Цю сторінку пропонується перейменувати на Детектор (значення). Пояснення причин та обговорення на сторінці Вікіпедія: До перейменування/15 березня 2012 року. Можливо, її поточна назва не відповідає нормам сучасної російської мови та/або …

Детектор перехідного випромінювання- (ДПІ), Transition Radiation Detector (TRD) - детектор швидких заряджених частинок, який реєструє перехідне випромінювання, що випускається релятивістською часткою при перетині нею межі поділу середовищ з різною діелектричною проникністю... Вікіпедія

Детектор із особливо чистого германію- Ця сторінка потребує суттєвої переробки. Можливо, її необхідно вікіфікувати, доповнити чи переписати. Пояснення причин та обговорення на сторінці Вікіпедія:До покращення/26 серпня 2012. Дата постановки до покращення 26 серпня 2012.… … Вікіпедія

ДЕТЕКТОР- (1) прилад або пристрій для реєстрації елементарних та (див.) частинок (протонів, нейтронів, електронів, мезонів, кварків та ін.), атомних ядер (альфа частинок та ін.), рентгенівських та гамма квантів, а також для виявлення теплового випромінювання. Велика політехнічна енциклопедія

Черенківський детектор- Черенківський детектор, або детектор черенківського випромінювання детектор елементарних частинок, що використовує детектування черенківського випромінювання, що дозволяє непрямим чином визначити маси частинок, або відокремити більш легкі частинки (що … Вікіпедія

Сферичний нейтральний детектор- (скорочено СНД) детектор елементарних частинок. Працював на електронному позитронному колайдері ВЕПП 2М в ІЯФ ім. Будкера у Новосибірську. Після модернізації детектор працює на новому колайдері ВЕПП 2000. Зміст 1 Історія детектора …

Лічильник Гейгера.

Сцинтиляційний лічильник.

Напівпровідниковий детектор. У кристалі напівпровідника частка створює додаткові заряди - електронно-діркові пари. Під дією прикладеної напруги вони переміщаються до електродів детектора, створюючи у зовнішньому ланцюзі електричний імпульс.

Стриповий детектор. Матриця із взаємно-перпендикулярних смужок кремнію дозволяє з високою точністю вимірювати координати частки.

Черенківські лічильники нейтринного детектора (Лос-Аламос, США).

Співробітники МІФІ за складання детектора перехідного випромінювання (TRD) для встановлення ATLAS (Церн, Женева).

Камера Вільсон.

Пухирцева камера.

Фото зіткнення іонів сірки і золота в стрімерній (різновид іскрової) камери. Треки народжених при зіткненні заряджених частинок у ній виглядають як ланцюжки окремих розрядів, що незливаються - стримерів.

Перший детектор заряджених частинок камера Вільсона.

Принцип роботи першої камери Вільсон.

Сучасне встановлення для реєстрації елементарних частинок ATLAS.

З відкриття наприкінці ХІХ століття першої елементарної частки – електрона вже понад сто років фізики вигадують дедалі нові прилади вивчення цих дрібних одиниць матерії.

Найпростіше реєструвати заряджені частинки, тому їх відкрили раніше. Їх видає іонізаційний слід, що залишається електронно-іонними парами вздовж свого шляху. За електроном, виявленим у потоці променів розрядної трубки, незабаром були відкриті протон (ядро атома водню), a-частка (ядро атома гелію), ядра інших елементів і ціла плеяда елементарних частинок, від порівняно легких мезонів до важких гіперонів і ще масивніших частинок , До складу яких входять важкі кварки (див. «Наука і життя» № 8, 1994 р.).

Пряма реєстрація нейтральних частинок неможлива: вони речовину не іонізують і дають знати про себе тільки в ході взаємодій з утворенням заряджених частинок, які їх засвічують. Так було відкрито нейтрон (за протонами віддачі), гамма-квант (за електрон-позитронними парами) та багато інших «нейтрали».

Прилади, що «уловлюють» частинки, поділяються на дві групи – лічильники та камери.

Лічильники фіксують факт проходження частки, визначаючи момент часу (іноді з високою, до наносекунд, 10-9 c, точністю), величину енергії, що втрачається, а якщо з них скласти «телескоп», пов'язаний електронною схемою збігів, то і напрямок прильоту частинки. Добре відомі газорозрядний лічильник Гейгера, який вірою і правдою прослужив у фізиці півсотні років; пропорційний лічильник, сигнал якого є мірою іонізаційних втрат частки; сімейство сцинтиляційних лічильників У неорганічних сцинтиляторах (кристали NaI, CsI та ін), їх органічних (антрацен та ін) та пластичних (полістирол та ін) аналогах під дією заряджених частинок виникають спалахи люмінесценції. Це слабке світіння у мільйони разів посилюють фотоелектронні помножувачі (ФЕУ). Сцинтиляційні лічильники з'явилися в середині минулого століття і успішно використовуються до сьогодні.

Напівпровідникові лічильники, сигнал яких утворюють пари електрон-дірка в шарі напівпровідника, за чутливістю перевершують сцинтилятори. Кращі з них - кристали германію, активовані літієм, (Ge(Li), - вимірюють енергію частинки з точністю 0,1%, але мають обмежений розмір і вимагають глибокого охолодження. лічильників у вигляді вузьких смуг кремнію на твердій підкладці, їх взаємно перпендикулярні шари дозволяють вимірювати координати частинок з точністю до десятка мікрон.

Іонізаційна камера, один із найдавніших детекторів, це, по суті, лічильник, який вимірює повний заряд, створений часткою внаслідок іонізації. Різні її модифікації (газові, рідинні) досі застосовуються для вимірювання енергії частинок та їх пучків, особливо часто у дозиметрії. Ксенонова камера високого тиску, дещо поступаючись енергетичним дозволом кристалам Ge(Li), не обмежена розмірами і не вимагає охолодження, що особливо цінно для постановки експериментів на супутниках.

Ще більш чутливі черенківські лічильники, що вловлюють когерентне випромінювання частки, що рухається зі швидкістю більшої швидкості світла в середовищі. Їхнє останнє досягнення – так звані RICH-детектори (ring imajing Cherenkov), що «бачать» не окремі фотони, а все кільце черенківського світла, що дозволяє виміряти багато властивостей реєстрованої частки. До цього класу детекторів належать і TRD-детектори (transition radiation detector), лічильники перехідного випромінювання, що виникає при перетині зарядженої частинкою межі двох середовищ. Вони виділяють ультрарелятивістські частки (швидкість яких дуже близька до швидкості світла) у величезному потоці частинок і ширше застосовуються на прискорювачах високих енергій.

Ансамбль лічильників, розміщений в потоці частинок, що реєструються, утворює так звану рокоскопічну установку, яка дозволяє простежити шлях кожної окремої частинки, а поміщена в магнітне поле - виміряти її імпульс і знак заряду. Лічильники прошаровуються калориметрами - пристроями, що вимірюють енергії частинок за освіченою ними зливою електронів, позитронів, фотонів у речовині. Лічильники, включені в систему часу прольоту, вимірюють швидкість частинки. Сучасні установки на прискорювачах, що налічують тисячі лічильників, дають просторову картину події - народження безлічі вторинних частинок, їх розпадів та взаємодій, що виникають при попаданні прискореної частки в ціль.

Камери, або трекові детектори, – це пристрої для простеження траєкторії зарядженої частинки з вторинними продуктами. Першим трековим детектором була відома камера Вільсона (в іноземній літературі - «туманна камера»). Принцип її дії полягає у освіті крапельок туману на іонізаційному сліді частки в переохолодженому парі після різкого скидання тиску. Камера Вільсона, поміщена в магнітне поле, стала одним із головних фізичних приладів початку минулого сторіччя; експерименти з нею привели до багатьох фундаментальних відкриттів.

Пізніше роль лідера вимірювальної техніки перейшла до бульбашкової камери, в якій треки частинок створювали мікроскопічні бульбашки газу перегрітої рідини. Пухирцеві камери, особливо наповнені рідким воднем (протонні мішені), сприяли отриманню визначних результатів у прискорювальних експериментах. Відома рідководнева камера Мірабель (найбільша у світі) працювала на багатьох прискорювачах, у тому числі на синхрофазотроні ІФВЕ (Протвіно). Недоліки термодинамічних камер (Вільсона, пухирцевої) – мала швидкодія та неможливість автоматизації даних, що стало помітною перешкодою після введення в експеримент комп'ютера як керуючого та обробного центру.

Особливе місце займає фотоемульсійна камера (розвиток методу ядерної фотоемульсії) – рекорд-змін за точністю вимірювання координат (до 1 мікрона), але зовсім не пристосована для роботи з лічильниками та комп'ютером. Дані із неї доводиться обробляти вручну.

На зміну їй прийшли електророзрядні пристрої, що різко підвищили ефективність використання прискорювальних пучків (за рахунок швидкодії та можливості «стикування» з лічильниками частинок): іскрові та їх різновид – стримерні камери. Іскри і стримери - ланцюжки окремих розрядів - з високою точністю слідують по іонізаційному сліду, навіть має форму дуги під час руху частинки в магнітному полі. Різні види іскрових і стримерних камер брали участь у важливих експериментах, але все ж таки більш універсальним і гнучким засобом, що відповідає сучасним вимогам, виявилися багатодротяні камери - пропорційні, дрейфові та інших модифікацій.

Реєстрація нейтральних частинок здійснюється тими самими методами, що й заряджених (лічильники + камери), лише з урахуванням того, що раніше вони мають створити заряджені частинки.

Особливе місце займають детектори нейтрино - частинок, які беруть участь ні сильному, ні електромагнітному взаємодіях. Проникаюча здатність нейтрино колосальна, їхній потік може проходити шар свинцю в тисячі астрономічних одиниць. Імовірність їх взаємодії з речовиною набагато порядків менше, ніж в заряджених частинок. З цієї причини установки для реєстрації нейтрино повинні мати великі розміри та масу, що вимірюється тисячами тонн. Щоб знизити фон від сторонніх заряджених частинок, нейтринні детектори мають у своєму розпорядженні під великими товщами речовини (підземні та підводні установки). Широку популярність здобули детектори сонячних нейтрино – Homestake (хлор-аргонний детектор Девіса, США), Kamiokande (Японія), а також російські – галій-германієвий детектор у Баксані та встановлення «Байкал» у прозорих водах знаменитого озера (див. «Наука і життя »№ 8, 1994 р).

Ілюстрація "Гейгер Лічильник".
У скляну трубку заповнену газом при тиску 100-200 мм рт. ст., вміщено два електроди - анод у вигляді тонкої нитки і циліндричний катод на стінці трубки, до яких прикладена постійна напруга в кілька сотень вольт. При попаданні в трубку зарядженої частки газ іонізується. Вільні електрони рухаються із прискоренням до анода, виробляючи вторинну іонізацію газу. Виникає розряд, що викликає виникнення електричного імпульсу.

Ілюстрація "Сцинтиляційний лічильник".
При попаданні зарядженої частинки в сцинтилятор (кристал, кювету з рідиною або шар пластику) у ньому виникає слабкий спалах люмінесценції. Її світло через світловод надходить у фотоелектронний помножувач, що виробляє електричний імпульс, амплітуда якого пропорційна втраті енергії частки, що налітає.

Ілюстрація "Черенківські лічильники нейтринного детектора (Лос-Аламос, США)".
У ємність заливається 167 тонн мінеральної олії з домішкою сцинтилятора. При взаємодії нейтрино з атомами речовини утворюються електрони високої енергії, швидкість яких більша за швидкість світла в середовищі. При русі виникає свічення, що поширюється як конуса. Його реєструють 1220 фотомножників на стінках ємності.

Ілюстрація "Камера Вільсона".
Місткість зі скляною кришкою та поршнем у нижній частині заповнена насиченими парами води, спирту або ефіру. Коли поршень опускається, за рахунок адіабатичного розширення пари охолоджуються і стають пересиченими. Заряджена частка, проходячи крізь камеру, залишає на своєму шляху ланцюжок іонів. Пара конденсується на іонах, роблячи видимим слід частки.

Ілюстрація "Бульбашкова камера".
Місткість заповнена добре очищеною рідиною. Центри утворення пари в рідині відсутні, тому її можна перегріти вище точки кипіння. Але частинка, що проходить, залишає за собою іонізований слід, уздовж якого рідина закипає, відзначаючи траєкторію ланцюжком бульбашок. У сучасних камерах використовуються рідкі гази - пропан, гелій, водень, ксенон, неон та ін. На знімку: бульбашкова камера, сконструйована у ФІАН. 1955-1956 роки.

Ілюстрація Перший детектор заряджених частинок - камера Вільсона.
Перший детектор заряджених частинок – камера Вільсона – було створено 19 квітня 1911 року. Камера була скляним циліндром діаметром 16,5 см і висотою 3,5 см. Зверху циліндр закривався приклеєним дзеркальним склом, через яке фотографували сліди частинок. Усередині був другий циліндр, у ньому – дерев'яне кільце, опущене у воду. Випаровуючись з поверхні кільця, вона насичувала камеру водяними парами. Вакуумний насос створював розрідження в кулястої ємності, з'єднаної з камерою трубкою з вентилем. При відкритті вентиля у камері створювалося розрідження, водяні пари ставали пересиченими, і слідах заряджених частинок відбувалася їх конденсація як смужок туману (саме у зарубіжної літературі прилад називається the cloud chamber – «туманна камера»).

Ілюстрація "Принцип роботи першої камери Вільсон".
На нитці 1 підвішені кульки 2 і 3. Нитку перепалювали, одночасно відкриваючи вентиль 4. Кульки, падаючи, послідовно замикали контакти 5 і 6, підключені до джерел високої напруги - батарей лейденських банок. Включалася рентгенівська трубка 7, що іонізує своїм випромінюванням газ у камері, і через соті частки секунди в розряднику 8 виникала іскра, що висвітлює треки. Їх знімав фотоапарат 9. Так майже сто років тому почалися дослідження мікросвіту.

Ілюстрація "Сучасне встановлення для реєстрації елементарних частинок ATLAS".
Сучасна установка для реєстрації елементарних частинок ATLAS, створена для роботи на Великому адронному колайдері LHC (Large Hadron Collider), що будується у Центрі європейських ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві. У цій гігантській споруді висотою з восьмиповерховий будинок зібрано апаратуру для реєстрації взаємодій адронів - елементарних частинок, що беруть участь у так званій сильній взаємодії. Це детектори мюонів 1, трековий детектор перехідного випромінювання 8, електромагнітні та адронні калориметри 3, 4, 7, величезні надпровідні магніти 2, 5, 9. Детектори закриті потужним шаром радіаційного захисту 6. Всі пристрої виконані з точністю до 100 мікрон, в умовах сильних полів та потоків фотонів та нейтронів щільністю 107 см2/с багато років. ATLAS реєструє всі частинки, що приходять у детектор під будь-якими кутами, одночасно фіксуючи їх характеристики. Основа всієї установки - детектор перехідного випромінювання, призначений для реєстрації слідів ультрарелятивістських частинок та їх класифікації за рентгенівським випромінюванням, що виникає при їх переході межі двох середовищ (тут - повітря-поліпропілен), явище, відкритому в 1950-х роках В. Л. Гінзбургом І. М. Франком. Детектор складається з 400 тисяч трубок діаметром 4 мм та з чотиришаровими стінками товщиною 28 мк. За принципом роботи вони нагадують лічильник Гейгера: трубка наповнена газовою сумішшю, її осі проходить тонкий дріт під напругою +1500 В. Частка іонізує газ, електрон дрейфує до дроту (анода). Виниклий сигнал зчитує швидкодіюча апаратура, що фіксує час приходу та координату з точністю близько 1 нс і 100 мк. Весь детектор займає об'єм кілька кубічних метрів і дозволяє реєструвати та розпізнавати «сорти» приблизно 10 млрд частинок щомиті.

Детектори для радіаційного захисту

Детектори для ядерної фізики та фізики елементарних частинок

• Детектор черенківського випромінювання
• Газовий іонізаційний детектор

Детектори для експериментів на зустрічних пучках

У фізиці елементарних частинок поняття «детектор» відноситься не тільки до різного типу датчиків для реєстрації частинок, але й до великих установок, створених на їх основі і що включає також інфраструктуру для підтримки їх працездатності (кріогенні системи, системи кондиціювання, електроживлення), електроніку для зчитування та первинної обробки даних, допоміжні системи (напр. надпровідні соленоїди для створення всередині установки магнітного поля). Зазвичай такі установки зараз створюються великими міжнародними групами.

Оскільки будівництво великої установки потребує значних фінансових витрат і людських зусиль, у більшості випадків вона застосовується не для певного завдання, а для цілого спектру різних вимірювань. Основними вимогами до сучасного детектора для експериментів на прискорювачі є:

• Висока ефективність (малий відсоток втрачених частинок або частинок із погано визначеними параметрами)
• Здатність до поділу різних типів частинок, що утворюються в розпаді (півонів, каонів, протонів і т. д.)
• Здатність точного вимірювання імпульсу заряджених частинок відновлення інваріантної маси нестабільних станів.
• Здатність точного виміру енергії фотонів.

Для специфічних завдань можуть знадобитися додаткові вимоги, наприклад, для експериментів, що вимірюють CP-порушення в системі B-мезонів, важливу роль відіграє координатний дозвіл в галузі взаємодії пучків.

Необхідність виконання цих умов призводить до типової на сьогоднішній день схеми універсального багатошарового детектора. В англомовній літературі таку схему прийнято порівнювати з цибулею (onion-like structure). У напрямку від центру (області взаємодії пучків) до периферії типовий детектор для прискорювача на зустрічних пучках складається з наступних систем:

Трекова система

Трекова система варта реєстрації траєкторії проходження зарядженої частки: координат області взаємодії, кутів вильоту. У більшості детекторів трекова система поміщена в магнітне поле, що призводить до викривлення траєкторій руху заряджених частинок і дозволяє визначити їхній імпульс і знак заряду.

Трекова система зазвичай виконується на основі газових іонізаційних детекторів або напівпровідникових кремнієвих детекторів.

Система ідентифікації

Система ідентифікації дозволяє відокремити один від одного різні типи заряджених частинок. Принцип роботи систем ідентифікації найчастіше полягає у вимірі швидкості прольоту частки одним із трьох способів:

• по кутку випромінювання черенківського світла у спеціальному радіаторі (а також за фактом наявності або відсутності черенківського випромінювання),
• за часом прольоту до точки реєстрації,
• за густиною питомої іонізації речовини.

Спільно з вимірюванням імпульсу частинки в трековій системі це дає інформацію про масу, а отже, і про тип частинки.

Калориметр

Список детекторів, що працюють або будуються, для прискорювачів на зустрічних пучках

• Детектори на колайдері LHC (CERN)
• Детектори на колайдері Tevatron
• Детектори на електрон-позитронних колайдерах
  • BaBar (колайдер PEP-II, SLAC)
  • Belle (колайдер KEKB, KEK)
  • BES (колайдер BEPC, Пекін)
  • CLEO (колайдер CESR)
  • КЕДР (колайдер ВЕПП-4, Новосибірськ)
  • КМД, СНД (коллайдер ВЕПП-2М, ВЕПП-2000, Новосибірськ)

Прикладне застосування

Крім наукових експериментів, детектори елементарних частинок знаходять застосування і в прикладних завданнях - в медицині (рентгенівські апарати з малою дозою опромінення, томографи, променева терапія), матеріалознавстві (дефектоскопія), для огляду пасажирів і багажу в аеропортах.

Напишіть відгук про статтю "Детектор елементарних частинок"

Література

• K. Груп. Детектори елементарних частинок. Новосибірськ. Сибірський хронограф, 1999р.
• Grupen, C.(June 28-July 10 1999). "Physics of Particle Detection". AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536 : 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI:.
• Напівпровідникові детектори в дозиметрії іонізуючих випромінювань / В. К. Ляпідевський. - М.: Атоміздат, 1973. - 179 с.

• Ніколаєв, В. А.Твердотільні трекові детектори в радіаційних дослідженнях / Миколаїв, В. А. - СПб. : Вид-во Політехн. ун-ту, 2012. – 284 с. - ISBN 978-5-7422-3530-9.

• Пропорційні та дрейфові камери / Міжнародна нарада за методикою дротяних камер (17 - 20 червня 1975; Дубна).. - Шаблон: Дубна: Изд-во Об'єдн. інст. отрута. дослідж., 1975. – 344 с. - ISBN 978-5-7422-3530-9.

• Акімов, Ю. К.Газові датчики ядерних випромінювань. - Шаблон: Дубна. : ОІЯД, 2011. – 243 с. - ISBN 978-5-9530-0272-1.

Уривок, що характеризує Детектор елементарних частинок

Він продовжував свій щоденник, і ось що він писав у ньому за цей час:
«24 ro листопада.
«Встав о восьмій годині, читав Св. Письмо, потім пішов до посади (П'єр за порадою благодійника вступив на службу в один із комітетів), повернувся до обіду, обідав один (у графині багато гостей, мені неприємних), їв і пив помірно і по обіді списував пієси для братів. Увечері зійшов до графини і розповів смішну історію про Б., і тільки тоді згадав, що цього не мало робити, коли всі вже голосно сміялися.
«Буду спати зі щасливим і спокійним духом. Господи Великий, допоможи мені ходити по стежках Твоїм, 1) перемагати частину гніву – тихістю, повільністю, 2) хіть – помірністю та огидом, 3) віддалятися від суєти, але не відлучати себе від а) державних справ служби, b) від турбот сімейних , с) від дружніх зносин та d) економічних занять».
«27 листопада.
«Встав пізно і прокинувшись довго лежав на ліжку, вдаючись до лінощів. Боже мій! допоможи мені і зміцни мене, щоб я міг ходити дорогами Твоїми. Читав Св. Письмо, але без належного почуття. Прийшов брат Урусов, розмовляли про суєти світу. Розповідав про нові накреслення государя. Я почав було засуджувати, але згадав про свої правила і слова благодійника нашого про те, що справжній масон має бути старанним діячем у державі, коли потрібна його участь, і спокійним споглядачем того, чого він не покликаний. Язик мій ворог мій. Відвідали мене брати Г. В. та О., була підготовча бесіда для прийняття нового брата. Вони покладають на мене обов'язок ритора. Почуваюся слабким і негідним. Потім зайшла мова про пояснення семи стовпів та щаблів храму. 7 наук, 7 чеснот, 7 пороків, 7 дарів Святого Духа. Брат О. був дуже промовистий. Увечері відбулося прийняття. Новий пристрій приміщення багато сприяв пишноті видовища. Прийнято було Бориса Друбецького. Я пропонував його, я був ритором. Дивне почуття хвилювало мене весь час мого перебування з ним у темній храміні. Я застав у собі почуття ненависті, яке я марно прагну подолати. І тому я хотів би істинно врятувати його від злого і ввести його на шлях істини, але погані думки про нього не залишали мене. Мені думалося, що його мета вступу в братство полягала лише в бажанні зблизитися з людьми, бути у фаворі у ложі. Крім тих підстав, що він кілька разів запитував, чи не знаходиться в нашій ложі N. і S. (на що я не міг йому відповідати), крім того, що він за моїми спостереженнями не здатний відчувати повагу до нашого святого Ордену і надто зайнятий і задоволений зовнішньою людиною, щоб бажати покращення духовного, я не мав підстав сумніватися в ньому; але він мені здавався нещирим, і весь час, коли я стояв з ним віч-на-віч у темній храмині, мені здавалося, що він зневажливо посміхається на мої слова, і хотілося дійсно вколоти його оголені груди шпагою, яку я тримав, приставленою до неї. . Я не міг бути промовистим і не міг щиро повідомити свого сумніву братам і великому майстрові. Великий Архітектон природи, допоможи мені знаходити справжні шляхи, що виводять із лабіринту брехні».
Після цього в щоденнику було пропущено три аркуші, а потім було написано наступне:
«Мав повчальну і довгу розмову наодинці з братом В., який радив мені триматися брата А. Багато чого, хоч і недостойного, мені було відкрито. Адона і є ім'я сотворившего світ. Елоім є ім'я правлячого всім. Третє ім'я, ім'я, яке має значення Усього. Бесіди з братом В. підкріплюють, освіжають і стверджують мене на шляху чесноти. При ньому немає сумніву. Мені зрозуміло відмінність бідного вчення наук громадських з нашим святим, усе, що обіймає вченням. Науки людські все поділяють – аби зрозуміти, все вбивають – щоб розглянути. У святій науці Ордену все одно, все пізнається у своїй сукупності та житті. Трійця – три початку речей – сірка, меркурій та сіль. Сірка елейної та вогняної властивості; вона в поєднанні з сіллю, своєю огненністю збуджує в ній алкання, за допомогою якого притягує меркурій, схоплює його, утримує і сукупно виробляє окремі тіла. Меркурій є рідка і летюча духовна сутність – Христос, Святий Дух, Він».
«3 грудня.
«Прокинувся пізно, читав Святе Письмо, але був байдужий. Потім вийшов і ходив по залі. Хотів розмірковувати, але натомість уяву представила одна подія, що була чотири роки тому. Пан Долохов, після моєї дуелі зустрівшись зі мною в Москві, сказав мені, що він сподівається, що я користуюся тепер повним душевним спокоєм, незважаючи на відсутність моєї дружини. Я тоді нічого не відповів. Тепер я пригадав усі подробиці цього побачення і в душі своїй говорив йому найзлісніші слова й колкі відповіді. Схаменувся і кинув цю думку тільки тоді, коли побачив себе в розпалі гніву; але недостатньо покаявся в цьому. Потім прийшов Борис Друбецькой і почав розповідати різні пригоди; я ж з самого його приходу став незадоволений його відвідуванням і сказав йому щось неприємне. Він заперечив. Я спалахнув і наговорив йому безліч неприємних і навіть грубих. Він замовк і я схаменувся тільки тоді, коли було вже пізно. Боже мій, я зовсім не вмію з ним поводитися. Цьому причиною моє самолюбство. Я ставлю себе вище за нього і тому роблюся набагато його гіршим, бо він поблажливий до моїх грубостей, а я навпроти того маю до нього зневагу. Боже мій, даруй мені в присутності його бачити більше мою гидоту і чинити так, щоб і йому це було корисно. Після обіду заснув і коли засинав, виразно почув голос, що сказав мені в ліве вухо: – „Твій день“.
«Я бачив уві сні, що йду я в темряві, і раптом оточений собаками, але йду без страху; раптом одна невелика схопила мене за ліве стегно зубами і не випускає. Я почав тиснути її руками. І щойно я відірвав її, як інша, ще більша, почала гризти мене. Я став піднімати її і чим більше піднімав, тим вона ставала більшою і важкою. І раптом іде брат А. і, взявши мене під руку, повів із собою і привів до будівлі, для входу в яку треба було пройти вузькою дошкою. Я ступив на неї і дошка відігнулася і впала, і я став лізти на паркан, до якого ледве сягав руками. Після величезних зусиль я перетягнув своє тіло так, що ноги висіли на одній, а тулуб на іншій стороні. Я озирнувся і побачив, що брат А. стоїть на паркані і вказує мені на велику алею та сад, і в саду велику та прекрасну будівлю. Я прокинувся. Господи, Великий Архітектон природи! допоможи мені відірвати від себе собак – пристрастей моїх і останню з них, що сполучає в собі сили всіх колишніх, і допоможи мені вступити до того храму чесноти, якого я досягнув уві сні».
«7 грудня.
«Бачив сон, ніби Йосип Олексійович у моєму домі сидить, я дуже радий, і бажаю пригостити його. Наче я зі сторонніми невгамовно говорю і раптом згадав, що це йому не може подобатися, і бажаю до нього наблизитися і його обійняти. Але щойно наблизився, бачу, що обличчя його перетворилося, стало молоде, і він мені тихо щось говорить із вчення Ордена, так тихо, що я не можу почути. Потім, ніби, вийшли ми всі з кімнати, і щось тут сталося химерне. Ми сиділи чи лежали на підлозі. Він мені щось казав. А мені ніби захотілося показати йому свою чутливість і я, не вслухаючись у його промови, став собі уявляти стан своєї внутрішньої людини і ласку Божу, що осінила мене. І з'явилися у мене сльози на очах, і я був задоволений, що він це помітив. Але він глянув на мене з досадою і схопився, припинивши свою розмову. Я обробив і спитав, чи не до мене сказане стосувалося; але він нічого не відповідав, показав мені лагідний вигляд, і потім раптом опинилися ми в моїй спальні, де стоїть подвійне ліжко. Він ліг на неї на край, і я ніби палав до нього бажанням пеститись і прилягти тут же. І він ніби в мене питає: „Скажіть по правді, яку ви маєте головну пристрасть? Чи впізнали ви його? Я думаю, що ви вже його впізнали“. Я, зніяковівши цим питанням, відповідав, що ліньки моя головна пристрасть. Він недовірливо похитав головою. І я йому, ще більше зніяковівши, відповідав, що я, хоч і живу з дружиною, за його порадою, але не як чоловік своєї дружини. На це він заперечив, що не повинно дружину позбавляти своєї ласки, дав відчувати, що в цьому був мій обов'язок. Але я відповідав, що я соромлюся цього, і раптом все зникло. І я прокинувся, і знайшов у думках своїх текст Св. Письма: Живіт був світло людиною, і світло в темряві світить і темрява його не обійнятий. Обличчя у Йосипа Олексійовича було молоде і світле. Цього дня отримав листа від благодійника, в якому він пише про обов'язки подружжя».

У гол. ХХІІІ ми познайомилися з приладами, що служать для виявлення мікрочастинок - камерою Вільсона, лічильником сцинтиляцій, газорозрядним лічильником. Ці детектори, хоч і застосовуються в дослідженнях елементарних частинок, проте не завжди зручні. Справа в тому, що найцікавіші процеси взаємодії, що супроводжуються взаємними перетвореннями елементарних частинок, відбуваються дуже рідко. Частка має зустріти на своєму шляху дуже багато нуклонів або електронів, щоб сталося цікаве зіткнення. Практично вона повинна пройти в щільній речовині шлях, що вимірюється десятками сантиметрів - метрами (у такому шляху заряджена частка з енергією в мільярди електрон-вольт втрачає внаслідок іонізації лише частину своєї енергії).

Однак у камері Вільсона або газорозрядному лічильнику чутливий шар (у перерахунку на щільну речовину) вкрай тонкий. У зв'язку з цим набули застосування деякі інші методи реєстрації частинок.

Дуже плідним виявився фотографічний метод. У спеціальних дрібнозернистих фотоемульсіях кожна заряджена частка, що перетинає емульсію, залишає слід, який після прояву платівки виявляється під мікроскопом у вигляді ланцюжка чорних зерен. За характером сліду, залишеного часткою фотоемульсії, можна встановити природу цієї частки - її заряд, масу, і навіть енергію. Фотографічний метод зручний не тільки через те, що можна використовувати товсті слон речовини, але й тому, що у фотопластинці, на відміну від камери Вільсона, сліди заряджених частинок не зникають невдовзі після прольоту частинки. При вивченні подій, що рідко трапляються, платівки можуть експонуватися тривалий час; це особливо корисно у дослідженнях космічних променів. Приклади рідкісних подій, відбитих у фотоемульсії, наведено вище на рис. 414, 415; особливо цікавий рис. 418.

Інший чудовий метод заснований на використанні властивостей перегрітих рідин (див. Том I, § 299). При нагріванні дуже чистої рідини до температури, навіть трохи більшої температури кипіння, рідина не закипає, оскільки поверхневий натяг перешкоджає утворенню бульбашок пари. Американський фізик Дональд Глезер (нар. 1926) помітив у 1952 р., що перегріта рідина миттєво закипає при досить інтенсивному опроміненні; додаткова енергія, що виділяється в слідах швидких електронів, створюваних у рідині -випромінюванням, забезпечує умови для утворення бульбашок.

На основі цього явища Глезер розробив так звану рідинну бульбашкову камеру. Рідина при підвищеному тиску нагрівається до температури близької, але меншої температури кипіння. Потім тиск, а з ним і температура кипіння знижуються, і рідина перегріта. Уздовж траєкторії зарядженої частки, що перетинає в цей момент рідина, формується слід бульбашок пари. При відповідному освітленні він може бути зображений фотоапаратом. Як правило, бульбашкові камери розташовують між полюсами сильного електромагніту, магнітне поле викривляє траєкторії частинок. Вимірюючи довжину сліду частинки, радіус його кривизни, щільність бульбашок можна встановити характеристики частки. Зараз бульбашкові камери досягли високої досконалості; працюють, наприклад, камери, заповнені рідким воднем, з чутливим об'ємом кілька кубічних метрів. Приклади фотографій слідів частинок у бульбашковій камері наведено на рис. 416, 417, 419, 420.

Мал. 418. Перетворення частинок, зафіксовані у стосі фотоемульсій, опроміненої космічними променями. У точці невидима швидка нейтральна частка викликала розщеплення одного з ядер фотоемульсії та утворила мезони («зірка» з 21 сліду). Один з мезонів, -мезон, пройшовши шлях навколо (на знімку наведено лише початок і кінець сліду; при використаному на фотографії збільшенні довжина всього сліду була б), зупинився в точці і розпався за схемою . -мезон, слід якого спрямований вниз, у точці захопився ядром, викликавши його розщеплення. Одним з уламків розщеплення було ядро, яке шляхом-розпаду перетворилося на ядро, що миттєво розпадається на дві, що летять у протилежні сторони-частці - на знімку вони утворюють «молоток». -мезон, зупинившись, перетворився на -мюон (і нейтрино) (крапка). Закінчення сліду-мюона наведено у правому верхньому кутку малюнка; видно слід позитрона, утвореного при розпаді.

Мал. 419. Освіта та розпад-гіперонів. У водневій бульбашковій камері, що знаходилася в магнітному полі та опроміненою антипротонами, зафіксовано реакцію . Вона відбулася у точці закінчення сліду (див. схему у верхній частині малюнка). Нейтральні лямбда-і антилямбда-гіперони, пролетівши без утворення сліду невеликий шлях, розпадаються за схемами. Антипротон анігілює з протоном, утворюючи два і два -мезони