Первая статья из обещанного цикла про то, чем я занимаюсь. В отличии от статей на историческую тематику, источников здесь проставлять не буду. Очень сомневаюсь, что кто-то захочет проверять мои слова по специальной литературе, в особенности, англоязычной.

Claus Grupen. Particle Detectors (Переведен на русский, гуглите; наш основной учебник)

К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика» (В чем-то устарел, но написано хорошо)

При написании этого цикла статей, исхожу из того, что читатель знает физику в объеме несколько большем, чем школьная программа. Например, институтский курс механики. Я честно старался сделать его максимально популярным, но кое-что знать все же надо.

Какие частицы регистрируются в детекторах

Здесь должны были быть несколько вводных слов про то, что все вещества состоят из атомов, а где-то в этих атомах скрываются элементарные частицы, и они такие маленькие, что, чтобы вытащить их оттуда, нужно строить большие установки. Таких слов здесь не будет, потому что это более-менее общеизвестная информация, которую учат в школе. Разных элементарных частиц очень много, они бывают составные и простые, то есть, фундаментальные.
Возможно, читатель в курсе, что такое кварки, лептоны и фундаментальные бозоны. Если нет, перед чтением можно просветиться . Но не обязательно. Потому что наблюдать в детекторах мы можем только те частицы, которые успевают долететь до них за время жизни. Из фундаментальных это: электрон, мюон, фотон, нейтрино . Гравитоны, по идее, тоже долетают, но поиск гравитационных волн - отдельная песня и не по нашей части. Можно наблюдать также составные частицы, сложенные из нескольких кварков. В приведенной таблице, составные частицы можно найти в разделах "мезоны" и "барионы". Мезон - связанное состояние двух кварков, барион - трех. Сюда не включены короткоживущие частицы, назвываемые резонансами: полное их перечисление заняло бы слишком много места.

Частицы, которые мы регистрируем в детекторах, могут иметь очень разные скорости, но, ясное дело, не больше скорости света. Двигаясь с околосветовой скоростью, частица может пролететь расстояние порядка 10^8 метров за секунду. Или, наоборот, несколько метров за 10^-8 секунд. Частица, время жизни которой составляет 10^-10 секунд, родившаяся в ускорителе, в точке взаимодействия пучков, не успеет пролететь те метры, которые отделяют ее от детектора, даже с учетом релятивистского замедления времени. Поэтому, из всех адронов практический интерес представляет только регистрация протонов, пионов (заряженных), каонов и нейтронов . Остальную картину событий следует восстанавливать уже по ним.

Калориметрия

Хотя первое, что вы слышали о физике элементарных частиц, скорее всего, связано с LHC, экспериментами с протонными пучками высоких энергий эта физика отнюдь не исчерпывается. Еще есть эксперименты с пучками электронов, есть нейтринные обсерватории. Но наиболее впечатляющая картинка - это как раз столкновение протонных пучков. В каждом пучке дофига (точное число зависит от установки) протонов, в каждом протоне три кварка, при столкновении они оказываются очень близко и мы можем видеть такую картину.

Ну, то есть, это реконструкция события. Каждая линия - это трек, траектория, по которой что-то двигалось. Распутать этот клубок - задача отдельная, но для начала его нужно хотя-бы просто видеть. Ведь, конечно же, никакой микроскоп не поможет человеческому глазу различить частицу размером 10^-13 метра, летящую с околосветовой скоростью. Но попадание такой частицы в свинцовую пластину, или хотя-бы просто слой воздуха при атмосферном давлении, вызывает последствия, которые мы уже можем наблюдать.

Попадая в слой вещества, частица будет отдавать энергию в результате различных процессов. Можно измерить энергию частицы, уловив ее достаточно толстым слоем. Детекторы, в которых это происходит, называются калориметрами. По специализации калориметры делятся на электромагнитные и адронные, по устройству - на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный калориметр - просто слой вещества. Гетерогенный (сэмплинг-калориметр) состоит из нескольких слоев, среди которых есть поглощающие и регистрирующие. Калориметр может использовать не только твердое тело, но и жидкость, и даже газ. То есть, слой может вообще не быть пластиной. Давайте разберемся, что происходит в калориметре.

Потери на ионизацию

Самый простой процесс, касающийся всех заряженных частиц, - ионизация. При ионизации, налетающая частица передает электрону атома вещества часть своей энергии, достаточную, чтобы он тоже покинул атом. Получатся уже две частицы, каждая из которых, в свою очередь, может вызвать ионизацию. При этом, максимальная энергия, которую можно передать электрону в атоме, ограничена законами сохранения.

Речь идет только о кинетической энергии, ведь электрон в атоме уже существует, и на его рождение энергия не расходуется. Здесь E - полная энергия налетающей частицы, р - ее импульс, m - масса. Остальное - бета- и гамма- факторы налетающей частицы, масса электрона и скорость света. Таким образом, энергия, которую электрону может передать налетающая частица, тем меньше, чем меньше ее масса. При этом, чем больше энергия, тем меньше разница, и в ультрарелятивистском случае электрону можно передать всю энергию. Особую роль играют налетающие электроны, для которых формула упрощается, переходя в классическую формулу для центрального столкновения частиц равной масы. Максимальная передаваемая кинетическая энергия входит в приближенную формулу Бете-Блоха, которой описываются потери частиц на ионизацию.


К составлена из констант. Икс обозначает длину, домноженную на плотность. Z и А - это зарядовое и атомное числа, I - средняя энергия ионизации. Эти параметры характеризуют конкретное вещество. Зависимость от энергии налетающей частицы задается неявно бета- и гамма- факторами. Бета-фактор - это скорость частицы в единицах скорости света. Гамма-фактор - он же лоренц-фактор - известный множитель из релятивистской кинематики. При росте энергии частицы, бета-фактор стремится к единице, а гамма-фактор - к бесконечности. В области, где бета-фактор существенно отличается от единицы, гамма-фактор мал. Пока скорость далека от световой, обратная пропорциональность квадрату скорости определяет поведение функции потерь энергии. Это можно понимать так, что быстрая частица проводит меньше времени в кулоновском поле ядра, и ее сложнее захватить. Когда скорость приближается к световой, бета-фактор почти не меняется, а гамма-фактор быстро растет, и определяющим становится логарифмический член. То есть, возрастание сечения взаимодействия для более энергичных частиц. Получается как-то так.

На этой картинке можно видеть, что дает формула Бете-Блоха для различных веществ и частиц. Действительно, если параметры вещества входят в разных местах, то масса частицы - только в одном. Поэтому ось, по которой отложено произведение бета- и гамма- факторов, то есть, приведенный импульс, можно просто сдвигать. При этом, чем тяжелее частица, тем сильнее придется ее сдвинуть, а шкала логарифмическая. То есть, с ростом энергии, минимум ионизации для мюонов наступает гораздо быстрее, чем для электронов. Для протонов, вроде бы, не быстрее. Только вот протон сам по себе в две тысячи раз тяжелее электрона и почти в десять раз тяжелее мюона, так что в абсолютных величинах импульса шкала будет сдвинута так же, как и с мюоном или пионом.

Тормозное излучение

Потери на ионизацию доминируют для частиц низкой энергии. Это упругие взаимодействия, в результате которых никаких новых частиц не рождается. Однако, взаимодействие быстрой заряженной частицы с кулоновским полем ядра может порождать фотоны. Процесс называется тормозным излучением. Фотон уносит энергию и сам может взаимодействовать с веществом. Потери энергии на тормозное излучение задаются выражением:

Z, A - то же, что и выше; z,m, Е - заряд, масса и энергия налетающей частицы. Потери на тормозное излучение линейно зависят от Е, в силу чего, доминируют при высоких энергиях. Но численно они обратно пропорциональны квадрату массы налетающей частицы. Вспомним еще раз, что мюон и пион на два порядка тяжелее электрона, а протон - на три. Что дает, соответственно, четыре и шесть порядков разницы. Поэтому как ионизация, так и тормозное излучнение, хорошо работают для электрона, который при прохождении через вещество порождает настоящие ливни частиц: фотонов и электронов. Чтобы эффективно детектировать массивные частицы, приходится искать другие способы. Пион и протон участвуют в сильных взаимодействиях, а вот с мюоном такой номер не проходит. Остается увеличить установку во много раз.


Сектор детектора CMS , чтобы оценить масштаб проблемы. Зеленого слоя достаточно, чтобы свою энергию потеряли электроны. Желтого хватит для адронов. Все, что дальше - мюонная система.

Фотоны и электромагнитные ливни

Фотон - квант света. Свет тот же, что видим человеческим глазом, только энергии (и частоты) другие. Фотон таких энергий при попадании в глаз запустит много нехороших процессов. Основные из них:

1. Фотоэлектрический эффект - испускание электронов атомами глаза. Доминирует при низких энергиях.


2. Комптон-эффект - упругое рассеивание фотона на электронах, входящих в состав атомов глаза. Доминирует при средних энергиях.


3. Прямое рождение электрон-позитронных пар в кулоновском поле атома глаза. Доминирует при высоких энергиях.

Результатом этих процессов являются заряженные частицы, способные, как было описано выше, вступить во взаимодействие с веществом, которое также породит фотон. Причем происходит размножение, то есть, если брать фотон достаточно высокой энергии, чтобы доминировали процессы 2 и 3, результатом каждого шага окажется пара частиц. Ведь после единичного акта тормозного излучения тоже имеются электрон/позитрон и фотон, готовые взаимодействовать дальше. А после акта ионизации - два электрона. Получается так называемый электромагнитный ливень.

Принцип таков

Это продолжается вот так

И оставляет вот такие красивые следы

В общем, глаз, засунутый в ускоритель, не только гамма-кванта не увидит, но, скорее всего, больше ничего никогда не увидит. Конкретный фотон взаимодействует только два раза в жизни: при рождении и поглощении. Но выйти из ливня, не породив новых частиц, он может только если его энергии недостаточно даже для фотоэффекта. Тогда фотон поглотится электроном атома, переведя его в возбужденное состояние. В простейшей модели ливня, где на каждом следующем шаге получаются две частицы, каждый шаг уменьшает среднюю энергию частицы вдвое. Соответственно, десять шагов уменьшат ее на три порядка. Энергии переходов с одной орбиты на другую - несколько эВ. Энергия первоначального фотона (или электрона) может составлять несколько МэВ и даже ГэВ. То есть, чтобы ливень начал затухать, должно пройти двадцать-тридцать шагов, а в особо запущенных (в смысле, мощную установку запустили) случаях - еще больше.

Характерный размер одного шага задается радиационной длиной - средней длиной на которой электрон теряет (1-1/e) своей энергии на тормозное излучение или 7/9 средней длины свободного пробега фотона между рождениями пар. Радиационная длина измеряется в тех же единицах, что и икс в формулах потерь на ионизацию и тормозное излучение. Чтобы перевести ее в привычные сантиметры, нужно поделить на плотность. Электромагнитный ливень может развиваться на десятки радиационных длин. Радиационная длина, обычно, исчисляется в десятках грамм на сантиметр квадратный. В пересчете на сантиметры, результат может быть очень разным, потому что плотности у веществ разные. Так электромагнитный ливень в атмосфере может развиваться на многих километрах, а толщина пластинки из свинца, достаточной для точной калориметрии МэВ-ных электронов, не превысит нескольких десятков сантиметров.

Естественно, радиационная длина, вычисленная для мюона, протона или пиона, была бы другой из-за разницы в массе. На практике, это означало бы, что тот же свинцовый калориметр толщиной 10 см (около 20-ти рад.длин) пион пролетал бы, не заметив. В то время как электрон неизбежно породил бы ливень, который успел бы развиться и затухнуть. Таким образом, калориметры для тяжелых частиц нужно строить гораздо больше.

Адронные ливни

Протоны и пионы удается поймать за счет того, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Если электромагнитное взаимодействие происходило в кулоновском поле атома, сильное происходит в поле ядерных сил. Большинство происходящих там процессов неупругие, то есть, исходная частица поглощается, рождая несколько других. Однако, есть и процессы упругого рассеяния.

При этом могут рождаться не только адроны, но также фотоны и электроны, которые породят электромагнитные ливни. Могут вылетать частицы, состоящие из нескольких адронов, например, всем известная альфа-частица, ядро гелия. Примерно одна пятая часть энергии налетающей частицы уходит в "невидимую" энергию ядерных связей, которая не регистрируется в калориметре.


Схема адронного каскада в поглотителе. Видны электромагнитные ливни, порожденные пи0-мезонами

Размер адронного ливеня характеризуется ядерной длиной, которая, для тяжелых атомов, на порядок больше радиационной. Это печально, но альтернатива - четыре-шесть порядков разницы в потерях на тормозное излучение. Поэтому энергия частиц, участвующих в сильном взаимодействии, измеряется таким способом. Точная калориметрия адронов затруднена большими флуктуациями в развитии ливня. Приходится изобретать специальные процедуры взвешивания, чтобы решить эту проблему. Тем не менее, энергетическое разрешение лучших адронных калориметров не превышает 35%, деленных на корень из энергии. Что на порядок хуже типичных значений для электромагнитных калориметров.

Содержание статьи

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву электронов от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

Взаимодействие частиц с веществом.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на рис. 1. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов. Любое из этих явлений может использоваться в детекторе частиц.

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Ионизационные приборы.

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Схема прибора представлена на рис. 2. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq /t ,

где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд каждого иона, а t – время, необходимое для того, чтобы собрать ионы. Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk ,

где n – число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ (1 эВ есть энергия, которую приобретает электрон, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В.) Образование ионных пар – случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n порядка . Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Основное требование к чувствительному веществу ионизационных приборов состоит в том, чтобы ионы, создаваемые излучением, с большой вероятностью достигали собирающих электродов. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Твердотельными аналогами ионизационной камеры являются полупроводниковые детекторы. Подобный прибор с p – n -переходом показан на рис. 3. Для создания перехода в полупроводник (обычно кристалл германия или кремния, по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками) вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток. Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом – 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры. Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам, которые тоже представляют собой полупроводниковые приборы с p – n -переходом. Однако их конструкция имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией. Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.

Еще один тип полупроводникового детектора – литий-дрейфовый детектор с p – i – n -переходом – изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера.

Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизующей частицей. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большими коэффициентами усиления. Но если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике. В плоскопараллельной камере электрическое поле однородно и его напряженность равна разности потенциалов между пластинами, деленной на расстояние между ними. В такой геометрии трудно получить поля с высокой напряженностью, необходимые для вторичной ионизации. В камерах же с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч.

При повышении напряжения на пропорциональном счетчике коэффициент усиления сигнала не возрастает до бесконечности. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. По конструкции он сходен с пропорциональным счетчиком. Более того, можно сконструировать счетчик, который будет работать либо как ионизационная камера, либо какпропорциональный счетчик, либо как счетчик Гейгера в зависимости от напряжения, приложенного между катодом и анодом.

Импульс тока, возникающий в счетчике Гейгера после прохождения заряженной частицы, сходен с электрическим искровым разрядом. Как и в других ионизационных приборах, основной вклад в ток вносят электроны. Присутствующие при этом в больших количествах положительные ионы электрически экранируют анод от катода и тем самым ослабляют поле, действующее на электроны. С увеличением тока экранирование усиливается и достигается насыщение, ограничивающее максимальный ток. Одновременно с насыщением протекает другой процесс – распространение разряда по всему объему счетчика Гейгера. Он обусловлен свечением разряда, свет которого производит в счетчике дополнительную ионизацию за счет фотоэффекта. Повсюду, где происходит фотоионизация, возникает новый разряд. В конечном итоге сигнал уже не зависит от первичной ионизации и может достигать 100 В. Таким образом, разряд усиливает первичный сигнал более чем в миллион раз.

Для гашения разряда в счетчике Гейгера приходится принимать особые меры. Можно уменьшить внешнее напряжение и поддерживать его ниже уровня, при котором возможен устойчивый разряд, пока все ионы не будут выведены из объема счетчика. Более простой способ – ввести в счетчик пар , которые поглощали бы свет, испускаемый разрядом, и рассеивали энергию не за счет фотоэффекта, а, например, за счет диссоциации. Для этого обычно добавляют газообразные галогены (промышленность выпускает, как правило, счетчики именно такого типа).

Пропорциональные счетчики можно использовать для измерения низкой энергии излучения, например электронов или рентгеновского излучения. Счетчик Гейгера лишь фиксирует появление частицы. Иначе говоря, при наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов.

Сцинтилляционные и черенковские счетчики.

Испускание света некоторыми веществами при прохождении сквозь них быстрых заряженных частиц называют сцинтилляцией. На долю испускаемого света может приходиться 5–10% всей энергии, теряемой частицами. Его испускание – частный случай люминесценции – обусловлено атомной структурой вещества, сквозь которое проходит частица. На регистрации света, испускаемого средой при прохождении через нее частицы, основаны сцинтилляционные счетчики.

В современных сцинтилляционных счетчиках, появившихся примерно в 1947, для регистрации сцинтилляций используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливающие этот сигнал. Сцинтилляционный счетчик с ФЭУ схематически изображен на рис. 4.

При выборе сцинтиллирующего вещества встает вопрос о сборе света из кристалла. Известно, что вещества, испускающие свет определенной частоты, поглощают свет той же частоты. Поэтому в очень чистом кристалле сцинтилляционное свечение будет непрерывно поглощаться и вновь испускаться атомами кристалла, пока свет не выйдет наружу через поверхность кристалла или же не будет поглощен в виде тепла. Последнее чаще всего происходит в кристаллах достаточно больших размеров, и по этой причине чистые кристаллы оказываются плохими сцинтилляторами. Ситуация значительно улучшается при введении специальных примесей. Такие активирующие примеси, смещающие длину волны, поглотив свет, испускают его с несколько большей длиной волны, благодаря чему он может выйти наружу. Из неорганических кристаллов обычно используют иодиды натрия и цезия, активированные таллием. Успешно применяются в роли сцинтилляторов также активированные пластмассы и органические жидкости. Типичным примером может служить полистирол, активированный пара-терфенилом. Применяются и некоторые чистые органические кристаллы.

У сцинтилляционных счетчиков имеется ряд преимуществ перед другими детекторами частиц. Твердые и жидкие сцинтилляционные материалы в тысячи раз плотнее газов, используемых в ионизационных счетчиках. Соответственно этому значительно возрастают потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнал. Кроме того, ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем. К тому же длительность сигнала на выходе сцинтилляционного счетчика может составлять всего лишь 10 –9 с, тогда как от ионизационной камеры удается в лучшем случае получить сигнал длительностью примерно 10 –7 с.

Сигнал на выходе сцинтилляционного счетчика, как и у ионизационных приборов, пропорционален энергии, теряемой падающей частицей в веществе сцинтиллятора. Эта энергия может достигать нескольких сотен мегаэлектронвольт и представлять собой полную кинетическую энергию падающей частицы. Сигнал от счетчика можно также использовать для измерения временн х интервалов между моментами появления разных частиц. Примером может служить измерение среднего времени жизни нестабильных частиц, таких, как p - или К -мезон. Суть эксперимента – в регистрации временнóго интервала между сигналом счетчика, соответствующим попаданию в него мезона, и сигналом, соответствующим появлению продукта распада. Время жизни p -мезона примерно 25Ч 10 –9 с, и для точного его измерения нужен счетчик с гораздо меньшим временем отклика.

Сцинтилляционные счетчики широко применяются в экспериментах с пучками частиц в ускорителях на высокие энергии. Такие пучки обычно состоят из сгустков частиц, и чтобы выделить в этих сгустках отдельные частицы, необходимо высокое «временнóе разрешение» (малое время отклика), обеспечиваемое сцинтилляционными счетчиками.

Используя в качестве сцинтилляционных материалов обычные органические жидкости и пластмассы, можно изготавливать счетчики практически любых размеров и форм. Для экспериментов с космическими лучами, где потоки частиц крайне малы, создаются гигантские системы детекторов, содержащие тонны чувствительных материалов. Столь же огромное количество вещества используется для регистрации нейтрино, нейтральных частиц, вероятность взаимодействия которых с веществом исключительно мала. В эксперименте может использоваться и система из большого числа отдельных сцинтилляционных счетчиков. В таких случаях они зачастую выполняют ту же роль, что и счетчики Гейгера, т.е. служат индикаторами наличия частиц. Сцинтилляционные счетчики могут работать значительно надежнее счетчиков Гейгера и благодаря своему высокому временнóму разрешению точно регистрировать гораздо более интенсивные потоки частиц.

Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует так называемое черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Это явление аналогично ударной волне, возникающей в воздухе, когда снаряд летит быстрее звука. В любой преломляющей среде скорость света равна с /n , где с – скорость света в пустоте (3Ч 10 8 м/с), а n – показатель преломления среды. Таким образом, в стекле, показатель преломления которого равен 1,5, скорость света составляет всего лишь 2Ч 10 8 м/c. Любая частица, движущаяся в стекле с большей скоростью, будет испускать черенковское излучение. (Здесь нет противоречия с частной теорией относительности, согласно которой скорость любой частицы, независимо от среды, в которой она движется, не может превышать скорость света в пустоте.) Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n , будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с /n . Интенсивность свечения пропорциональна величине (1 – v 2 /c 2 n 2), которая равна нулю при пороговом значении скорости с /n и быстро возрастает до максимального значения, когда скорость v регистрируемой частицы приближается к скорости света с . Особенность черенковского излучения состоит в том, что оно сосредоточено в переднем конусе относительно направления движения частицы. Угол при вершине конуса дается выражением

cosq = v /cn .

Используя эту зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью.

Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к скорости света, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1. Например, черенковский счетчик с воздухом при атмосферном давлении будет реагировать лишь на частицы со скоростями не менее 0,9997 с .

Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2Ч 10 8 м/с (0,67 скорости света).

Детекторы нейтронов и гамма-квантов.

Ионизационные приборы, сцинтилляционные и черенковские счетчики непосредственно реагируют только на заряженные частицы. Нейтральные же частицы, например нейтроны и гамма-кванты, должны сначала как-то подействовать на вещество, чтобы возникли заряженные частицы, на которые может реагировать счетчик. При взаимодействии гамма-излучения с веществом электроны возникают за счет фотоэффекта, комптон-эффекта или рождения электронно-позитронных пар. Фотоэффект – это процесс, обратный испусканию света: гамма-квант поглощается атомом, из которого вылетает электрон с той же энергией, что и у гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект значителен при энергии гамма-квантов, меньшей примерно 1 МэВ. Комптон-эффект – это рассеяние гамма-квантов на электронах. При этом электрон выбивается из атома и приобретает кинетическую энергию в диапазоне от нуля до почти полной энергии гамма-кванта. Этот процесс играет важную роль в области энергий порядка 1 МэВ и для веществ с малым атомным номером, таких, как углерод. Рождение пар происходит в результате взаимодействия гамма-кванта с сильным электрическим полем вблизи ядра. Полная энергия рождающихся электрона и позитрона (кинетическая энергия + энергия покоя) равна энергии гамма-кванта. Рождение пар не происходит при энергиях ниже 1 МэВ. При более высоких энергиях оно доминирует, особенно в веществах с большими атомными номерами, такими, как свинец.

Главная задача при регистрации гамма-квантов – найти вещество, которое легко поглощало бы их и одновременно было бы чувствительно к испускаемым электронам. Ионизационные приборы сравнительно мало чувствительны к гамма-квантам из-за низкой плотности газового наполнения, хотя в какой-то степени преобразование происходит в стенках счетчика. Наиболее подходящими приборами для регистрации гамма-квантов и измерения их энергии оказались сцинтилляционные счетчики с кристаллами высокой плотности, содержащими элементы с большими атомными номерами. Сравнительно небольшие кристаллы иодида натрия дают почти 100%-ную эффективность регистрации гамма-квантов в широком диапазоне энергий. В равной степени подходят и другие сцинтилляционные материалы. Их выбор обычно зависит от исследуемого излучения. Черенковские счетчики тоже применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий. При этом в качестве черенковских излучателей широко применяются свинцовое стекло и бромоформ.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. При столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон может передать всю свою энергию протону, который, будучи заряженной частицей, может быть зарегистрирован обычным способом. Такой процесс, называемый упругим рассеянием, широко используется для регистрации нейтронов с энергиями, превышающими примерно 0,1 МэВ. Благодаря высокому содержанию водорода сцинтилляционные пластмассы и жидкости пригодны для регистрации нейтронов с эффективностью 10–20%. Иногда под действием нейтронов происходят ядерные реакции с испусканием заряженных частиц или гамма-квантов. Некоторые из таких реакций отличаются исключительно большой вероятностью, особенно при энергиях нейтронов порядка 1 эВ. Примером может служить реакция с бором, сопровождающаяся испусканием альфа-частиц. Поэтому высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора. Еще один пример такой реакции – деление ядер. Применяются ионизационные камеры с внутренним слоем делящего материала, такого, как уран-235. По большому энерговыделению, характерному для деления ядер, можно выявлять нейтроны на фоне других частиц.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. У детекторов медленных нейтронов эффективность регистрации нейтронов, как правило, гораздо выше, чем для гамма-излучения. Но у используемых для регистрации быстрых нейтронов сцинтилляционных счетчиков эффективность обычно примерно одинакова в обоих случаях. Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры.

При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч.Вильсоном, в течение многих лет исследовавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров.

Пузырьковую камеру изобрел и усовершенствовал в начале 1950-х годов Д.Глейзер. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные явления.

Пузырьковые камеры и камеры Вильсона позволяют видеть следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера видимой капельки или пузырька, т.е. примерно до 1 мм. Камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно заряженные частицы отклоняются в одном направлении, а отрицательно заряженные – в другом. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии.

Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Благодаря большой концентрации серебра плотность фотоэмульсий довольно велика, а поэтому потери энергии ионизующих частиц даже на сравнительно небольшом пробеге в эмульсии могут достигать сотен мегаэлектронвольт. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.

Искровые камеры.

Искровая камера представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Твердотельные трековые детекторы.

Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей). Сначала рассмотрим детекторы рентгеновского и гамма-излучения, а затем детекторы заряженных частиц.

Детекторы рентгеновского и гамма-излучения.

Классический образ искателя урана предполагает седеющего, измученного жарой субъекта, который бродит по пустыне со счетчиком Гейгера в руке. В наши дни в отношении детекторов достигнут значительный прогресс. Во всех современных детекторах используется следующий эффект: энергия поступающего в детектор фотона используется для ионизации какого-либо атома, при этом благодаря фотоэлектрическому эффекту излучается электрон. С этим электроном поступают по-разному в различных типах датчиков.

Рис. 15.19. Пропорциональный счетчик частиц.

Ионизационная камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера. Эти детекторы состоят из цилиндрической (как правило) камеры, имеющей в диаметре несколько сантиметров, и проходящего в центре тонкого провода. Камера бывает заполнена каким-либо газом или смесью газов. С одной стороны имеется узкое «окошко» из материала, пропускающего интересующее вас излучение (пластик, бериллий и т.п.). Центральный провод имеет положительный потенциал и подключается к некоторой электронной схеме. Типичная конструкция такого детектора представлена на рис. 15.19.

Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 В энергии в расчете на создаваемую им пару электрон-ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение. В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения. Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно. В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины). В данном случае вы получаете хороший большой выходной импульс, но не имеете никакой информации об энергии рентгеновского излучения.

В разд. 15.16 вы познакомитесь с интересным прибором, называемым анализатором ширины импульсов, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму. Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью такого прибора получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.

Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от до . Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15% при значении энергии (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются высоким быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 000 имп/с).

Сцинтилляторы. Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электрон-позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем.

Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия с примесью талия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ (разд. 15.16). Обычно кристалл обеспечивает разрешение порядка 6% при значении энергии 1,3 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад ) и используется в энергетическом диапазоне от до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка , следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе, имеющем окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится интегральный фотоумножитель.

В сцинтилляторах используют также пластики (органические материалы), которые отличаются тем, что они очень недороги. Разрешение у них хуже, чем у иодида натрия, и используют их в основном в тех случаях, когда имеют дело с энергией выше 1 МэВ. Световые импульсы получаются очень короткими - их длительность составляет примерно 10 не. В биологических исследованиях в качестве сцинтилляторов используют жидкости («коктейли»). При этом материал, исследуемый на радиоактивность, примешивается к «коктейлю», который помещается в темную камеру с фотоумножителем. В биологических лабораториях можно встретить очень красивые приборы, в которых процесс автоматизирован; в них через камеру счетчика одна за другой помещаются различные ампулы и регистрируются результаты.

Детекторы на твердом теле. Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником. Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон-ион, значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более представительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.

Выпускают несколько разновидностей детекторов на твердом теле: на основе (называются ), («жил-ли») и чистого германия (или IG), отличающихся друг от друга материалом полупроводника и примесей, используемых для того, чтобы обеспечить изолирующие свойства. Все они работают при температуре жидкого азота , и все типы полупроводников с примесью лития нужно постоянно держать в холодном состоянии (повышенная температура влияет на детектор так же плохо, как на свежую рыбу). Типовые детекторы на основе имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до . Детекторы на основе и IG используют при работе с более высокими значениями энергии, от до 10 МэВ. Хорошие детекторы на основе обладают разрешением 150 эВ при значении энергии разрешение в 6-9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка при значении энергии 1,3 МэВ .

Рис. 15.20. Рентгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе .

Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, мы бомбардировали лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировали полученный рентгеновский спектр. Это явление называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов. На рис. 15.20 показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов), каждому элементу соответствуют два видимых рентгеновских импульса, по крайней мере при использовании детектора на основе . На графике можно видеть железо, никель и хром. Если нижнюю часть графика укрупнить, то можно будет увидеть и другие элементы. При использовании пропорционального счетчика получается «каша».

Рис. 15.21 иллюстрирует аналогичное положение для детекторов гамма-излучения.

Рис. 15.21. Гамма-спектр кобальта-60, полученный с помощью сцинтиллятора на основе иодида натрия и детектора на основе Ge(Li). (Из брошюры Canberra Ge(Li) Detector Systems фирмы Canberra Industries, Inc.)

Рис. 15.22. Криостат с датчиком . (С разрешения фирмы Canberra Industries, )

На этот раз сравниваются между собой сцинтиллятор на основе и датчик на основе . Этот график нам помогли получить коллеги из фирмы Canberra Industries. Выражаем благодарность мистеру Тенчу. Как и в предыдущем случае, преимущество в отношении разрешающей способности оказалось на стороне детекторов на твердом теле.

Детекторы на твердом теле обладают самым высоким энергетическим разрешением среди всех детекторов рентгеновского и гамма-излучения, но у них есть и недостатки: маленькая активная область в большом и неуклюжем корпусе (см., например, рис. 15.22), относительно невысокое быстродействие (время восстановления составляет и более), высокая стоимость и, кроме того, для работы с ними нужно запастись большим терпением (но может быть вам и понравится нянчиться с «пожирателем» жидкого азота, кто знает).

Детекторы заряженных частиц.

Детекторы, которые мы только что описали, предназначены для определения энергии фотонов (рентгеновских и гамма-лучей), но не элементарных частиц. Детекторы элементарных частиц имеют несколько иной облик; кроме того, заряженные частицы отклоняются электрическим и магнитным полями в соответствии с их зарядом, массой и энергией, благодаря чему измерять энергию заряженных частиц значительно проще.

Детекторы с поверхностным энергетическим барьером. Эти германиевые и кремниевые детекторы аналогичны детекторам из . Однако их не требуется охлаждать, а это намного упрощает конструктивное оформление прибора. (А у вас появляется шанс получить свободное время!) Детекторы с поверхностным энергетическим барьером выпускают с диаметрами от 3 до 50 мм. Их используют в энергетическом диапазоне от 1 МэВ до сотен МэВ, они обладают разрешением от 0,2 до 1% при значении энергии альфа-частиц, равном 5,5 МэВ (распространенная энергетическая калибровка, которая обеспечивается при распаде америция-241).

Детекторы Черенкова. При очень высоких значениях энергии (1 ГэВ и выше) заряженная частица может опередить свет в материальной среде и вызвать излучение Черенкова, «видимую ударную волну». Они находят широкое применение при экспериментах в физике высоких энергий.

Ионизационные камеры. Классическую газонаполненную камеру, которую мы рассмотрели выше в связи с рентгеновским излучением, можно использовать также в качестве детектора заряженных частиц. Простейшая ионизационная камера состоит из камеры, заполненной аргоном, и проходящего по всей ее длине провода. В зависимости от того, для работы с какими энергиями предназначена камера, ее длина может составлять от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; в некоторых разновидностях прибора используют не один, а несколько проводов или пластин и другие газы-наполнители.

Душевые камеры. Душевая камера является электронным эквивалентом ионизационной камеры. Электрон попадает в камеру, заполненную жидким аргоном, и создает «душ» из заряженных частиц, которые затем притягиваются к заряженным пластинам.

Специалисты в области физики высоких энергий любят называть такие приборы калориметрами.

Сцинтилляционные камеры. Заряженную частицу можно обнаружить с очень хорошим энергетическим разрешением с помощью фотоумножителей по ультрафиолетовым вспышкам, которые возникают при движении заряженной частицы в камере, заполненной жидким или газообразным аргоном или ксеноном. Сцинтилляционные камеры обладают более высоким быстродействием по сравнению с ионизационными и душевыми камерами.

Дрейфовые камеры. Это новейшее достижение в области физики высоких энергий, которое обусловлено успехами в области быстродействующих диалоговых вычислительных систем. Концепция их проста: камера, в которой под атмосферным давлением находится газ (обычная смесь аргона с этаном) и множество проводов с приложенным к ним напряжением. В камере действуют электрические поля, и когда в нее попадает заряженная частица, ионизирующая газ, ионы оказываются в сфере действия проводов. Отслеживаются амплитуды сигналов и моменты времени по всем проводам (вот здесь и приходит на помощь ЭВМ), и на основе этой информации строится траектория движения частицы. Если в камере действует еще магнитное поле, то можно также определить количество движения.

Дрейфовая камера завоевала положение универсального детектора заряженных частиц для физики высоких энергий. Она может обеспечить пространственное разрешение порядка 0,2 мм и выше для объемов, которые могут вместить даже вас.

Как и в любом физическом эксперименте, при изучении элементарных частиц требуется сначала поставить эксперимент, а потом зарегистрировать его результаты. Постановкой эксперимента (столкновением частиц) занимается ускоритель, а результаты столкновений изучаются с помощью детекторов элементарных частиц .

Для того чтобы восстановить картину столкновения, требуется не просто узнать, какие частицы родились, но и с большой точностью измерить их характеристики, прежде всего траекторию, импульс и энергию. Всё это измеряется с помощью разных типов детекторов, которые концентрическими слоями окружают место столкновения частиц.

Детекторы элементарных частиц можно разбить на две группы: трековые детекторы , которые измеряют траекторию частиц, и калориметры , которые измеряют их энергии. Трековые детекторы стараются проследить за движением частиц, не внося при этом никаких искажений. Калориметры, наоборот, должны полностью поглотить частицу, чтобы измерить ее энергию. В результате возникает стандартная компоновка современного детектора: внутри расположено несколько слоев трековых детекторов, а снаружи - несколько слоев калориметров, а также специальные мюонные детекторы . Общий вид типичного современного детектора показан на рис. 1.

Ниже кратко описаны строение и принцип работы основных компонентов современных детекторов. Акцент сделан на некоторых, самых общих принципах детектирования. Устройство конкретных детекторов, работающих на Большом адронном коллайдере, см. на странице Детекторы на LHC .

Трековые детекторы

Трековые детекторы восстанавливают траекторию частицы. Они обычно расположены в области магнитного поля, и тогда по искривлению траектории частицы можно определить ее импульс.

Работа трековых детекторов основана на том, что пролетающая заряженная частица создает ионизационный след - то есть она выбивает электроны из атомов на пути своего движения. При этом интенсивность ионизации зависит как от типа частицы, так и от материала детектора. Свободные электроны собираются электроникой, сигнал с которой сообщает о координатах частиц.

Вершинный детектор

Вершинный (микровершинный, пиксельный) детектор - это многослойный полупроводниковый детектор, состоящий из отдельных тонких пластинок с нанесенной прямо на них электроникой. Это самый внутренний слой детекторов: начинается он обычно сразу за пределами вакуумной трубы (иногда первый слой монтируется прямо на внешней стенке вакуумной трубы) и занимает в радиальном направлении первые несколько сантиметров. В качестве полупроводникового материала обычно выбирается кремний из-за его высокой радиационной стойкости (внутренние слои детектора подвержены огромным дозам жесткой радиации).

По сути, вершинный детектор работает так же, как матрица цифрового фотоаппарата. Когда заряженная частица пролетает сквозь эту пластинку, она оставляет в ней след - облачко ионизации размером в несколько десятков микрон. Эта ионизация считывается электронным элементом непосредственно под пикселем. Узнав координаты точек пересечения частицы с несколькими идущими подряд пластинками пиксельного детектора, можно восстановить трехмерные траектории частиц и проследить их назад, внутрь трубы. Через пересечение таких восстановленных траекторий в какой-то точке в пространстве восстанавливается вершина - та точка, в которой эти частицы родились.

Иногда оказывается, что таких вершин несколько, причем одна из них обычно лежит прямо на оси столкновения встречных пучков (первичная вершина), а вторая - поодаль. Это обычно означает, что в первичной вершине столкнулись протоны и сразу породили несколько частиц, но некоторые из них успели пролететь какую-то дистанцию, прежде чем распасться на дочерние частицы.

В современных детекторах точность восстановления вершины достигает 10 микрон. Это позволяет надежно регистрировать случаи, когда вторичные вершины отстоят от оси столкновений на 100 микрон. Как раз на такие дистанции отлетают разнообразные метастабильные адроны, имеющие в своем составе c- или b-кварк (так называемые «очарованные» и «прелестные» адроны). Поэтому вершинный детектор является важнейшим инструментом детектора LHCb , главной задачей которого как раз будет изучение этих адронов.

По похожему принципу работают и полупроводниковые микрополосковые детекторы , в которых вместо маленьких пикселей используются тончайшие, но довольно длинные полоски чувствительного материала. В них ионизация не оседает тут же, а смещается вдоль полоски и считывается на ее конце. Полоски конструируются с таким расчетом, чтобы скорость смещения облачка заряда по ней была постоянной и чтобы оно не расплывалось. Поэтому, зная момент прихода заряда на считывающий элемент, можно вычислить координаты той точки, где заряженная частица пронзила полоску. Пространственное разрешение у микрополосковых детекторов хуже, чем у пиксельных, но ими зато можно покрыть намного бо льшую площадь, поскольку они не требуют столь большого числа считывающих элементов.

Дрейфовые камеры

Дрейфовые камеры - это газонаполненные камеры, которые ставятся снаружи полупроводниковых трековых детекторов, там, где уровень радиации относительно низкий и не требуется столь большая точность определения координат, как у полупроводниковых детекторов.

Классическая дрейфовая камера - это заполненная газом трубка, внутри которой натянуто много тончайших проволочек. Работает она наподобие вершинного детектора, но только не на плоской пластинке, а в объеме. Все проволочки находятся под напряжением, а их расположение выбрано таким образом, чтобы в пространстве между двумя массивами проволочек возникало однородное электрическое поле. Когда заряженная частица пролетает сквозь газовую камеру, она оставляет пространственный ионизационный след. Под действием электрического поля ионизация (прежде всего, электроны) движется с постоянной скоростью (физики говорят «дрейфует») вдоль линий поля по направлению к проволочкам-анодам. Достигнув края камеры, ионизация тут же поглощается электроникой, которая передает на выход сигнальный импульс. Поскольку считывающих элементов очень много, по сигналам с них можно с хорошей точностью восстановить координаты пролетевшей частицы, а значит, и траекторию.

Обычно количество ионизации, которое создает в газовой камере пролетающая частица, невелико. Для того чтобы увеличить надежность сбора и регистрации заряда и уменьшить погрешность его измерения, требуется усилить сигнал еще до регистрации его электроникой. Делается это с помощью специальной сети анодных и катодных проволочек, натянутых вблизи считывающей аппаратуры. Проходя вблизи анодной проволочки, облачко электронов порождает на ней лавину, в результате которой электронный сигнал многократно усиливается.

Чем сильнее магнитное поле и чем больше размеры самого детектора, тем сильнее траектория частицы отклоняется от прямой, а значит, тем надежнее можно измерить ее радиус кривизны и восстановить отсюда импульс частицы. Поэтому для изучения реакций с частицами очень высоких энергий, в сотни ГэВ и ТэВы, желательно построить детекторы побольше и использовать магнитные поля посильнее. По чисто инженерным причинам обычно удается увеличить только одну из этих величин в ущерб другой. Два крупнейших детектора на LHC - ATLAS и CMS - как раз отличаются тем, какая из этих величин оптимизирована. У детектора ATLAS побольше размеры, но поменьше поле, в то время как в детекторе CMS сильнее поле, но в целом он более компактен.

Время-проекционная камера

Особый тип дрейфовой камеры - это так называемая время-проекционная камера (ВПК). По сути дела, ВПК - это одна большая, размером в несколько метров, цилиндрическая дрейфовая ячейка. Во всём ее объеме создано однородное электрическое поле вдоль оси цилиндра. Весь закрученный ионизационный след, который оставляют частицы при пролете сквозь эту камеру, равномерно дрейфует к торцам цилиндра, сохраняя свою пространственную форму. Траектории как бы «проецируются» на торцы камеры, где большой массив из считывающих элементов регистрирует приход заряда. Радиальная и угловая координаты определяются по номеру датчика, а координата вдоль оси цилиндра - по времени прихода сигнала. Благодаря этому удается восстановить трехмерную картину движения частиц.

Среди работающих на LHC экспериментов время-проекционную камеру использует детектор ALICE .

Детекторы Roman Pots

Существует особый тип полупроводниковых пиксельных детекторов, которые работают прямо внутри вакуумной трубы , в непосредственной близости к пучку. Впервые их предложила в 1970-е годы исследовательская группа из Рима, и за ними с тех пор закрепилось название Roman Pots («римские горшочки»).

Детекторы Roman Pots были разработаны для детектирования частиц, отклонившихся в процессе столкновения на очень малые углы. Обычные детекторы, располагающиеся снаружи вакуумной трубы, здесь непригодны просто потому, что частица, испущенная под очень малым углом, может многие километры лететь внутри вакуумной трубы, поворачивая вместе с основным пучком и не выходя наружу. Для того чтобы зарегистрировать такие частицы, приходится ставить маленькие детекторы внутри вакуумной трубы поперек оси пучка, но не задевая при этом сам пучок.

Для этого на определенном участке ускорительного кольца, обычно на расстоянии сотни метров от места столкновения встречных пучков, вставляется специальный участок вакуумной трубы с поперечными «рукавами». В них на подвижных платформах размещены небольшие, размером несколько сантиметров, пиксельные детекторы. Когда пучок только впрыснут, он еще нестабилен и имеет большие поперечные колебания. Детекторы в это время прячутся внутри рукавов для того, чтобы избежать повреждений при прямом попадании пучка. После того как пучок стабилизируется, платформы выдвигаются из своих рукавов и пододвигают чувствительные матрицы детекторов Roman Pots в непосредственную близость к пучку, на расстояние 1-2 миллиметра. В конце очередного цикла ускорителя, перед сбросом старого пучка и инжекцией нового, детекторы вновь втягиваются в свои рукава и ждут очередного сеанса работы.

Пиксельные детекторы, используемые в Roman Pots, отличаются от обычных вершинных детекторов тем, что в них максимизирована доля поверхности пластины, занятая чувствительными элементами. В частности, на той кромке пластины, которая ближе всего подносится к пучку, практически отсутствует нечувствительная «мертвая» зона (“edgeless” -технология).

Один из экспериментов на Большом адронном коллайдере, TOTEM , как раз будет использовать несколько таких детекторов. Еще несколько подобных проектов находятся в разработке. Вершинный детектор эксперимента LHCb тоже несет в себе некоторые элементы этой технологии.

Подробнее про эти детекторы можно прочитать в статье Roman pots for the LHC из журнала CERN Courier или в технической документации эксперимента TOTEM .

Калориметры

Калориметры измеряют энергию элементарных частиц. Для этого на пути частиц ставят толстый слой плотного вещества (обычно тяжелого металла - свинца, железа, латуни). Частица в нём сталкивается с электронами или ядрами атомов и порождает в результате поток вторичных частиц - ливень . Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой отдельной частицы в этом ливне становится небольшой. В результате ливень застревает в толще вещества, его частицы поглощаются и аннигилируют, и некоторая, вполне определенная, доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра фотоумножителями, которые превращают ее в электрический импульс. Кроме того, энергию ливня можно измерить, собирая ионизацию чувствительными пластинками.

Электроны и фотоны, проходя через вещество, сталкиваются в основном с электронными оболочками атомов и порождают электромагнитный ливень - поток из большого числа электронов, позитронов и фотонов. Такие ливни быстро развиваются на небольшой глубине и обычно поглощаются в слое вещества толщиной несколько десятков сантиметров. Высокоэнергетические адроны (протоны, нейтроны, пи-мезоны и К-мезоны) теряют энергию преимущественно за счет столкновений с ядрами. При этом порождается адронный ливень, который проникает гораздо глубже в толщу вещества, чем электромагнитный, и к тому же он более широкий. Поэтому для того, чтобы полностью поглотить адронный ливень от частицы очень высокой энергии, требуется один-два метра вещества.

Различие характеристик электромагнитный и адронных ливней максимально используется в современных детекторах. Калориметры часто делают двухслойными: внутри расположены электромагнитные калориметры , в которых поглощаются преимущественно электромагнитные ливни, а снаружи - адронные калориметры , до которых «достают» только адронные ливни. Таким образом, калориметры не только измеряют энергию, но и определяют «тип энергии» - является ли она электромагнитного или адронного происхождения. Это очень важно для правильного понимания произошедшего в центре детектора столкновения протонов.

Для регистрации ливня оптическим способом вещество калориметра должно обладать сцинтилляционными свойствами. В сцинтилляторе фотоны одной длины волны поглощаются очень эффективно, приводя к возбуждению молекул вещества, и это возбуждение снимается за счет испускания фотонов более низкой энергии. Для излученных фотонов сцинтиллятор уже прозрачен, и поэтому они могут долететь до края калориметрической ячейки. В калориметрах используются стандартные, давно изученные сцинтилляторы, для которых хорошо известно, какая часть от энергии исходной частицы превращается в оптическую вспышку.

Для эффективного поглощения ливней требуется использовать как можно более плотное вещество. Имеется два способа, как совместить это требование с требованиями к сцинтилляторам. Во-первых, можно выбрать очень тяжелые сцинтилляторы и заполнить ими калориметр. Во-вторых, можно сделать «слойку» из чередующихся пластин тяжелого вещества и легкого сцинтиллятора. Имеются и более экзотические варианты устройства калориметров, например «спагетти"-калориметры, в которых в матрицу из массивного поглотителя внедрено множество тонких кварцевых оптоволокон. Ливень, развиваясь вдоль такого калориметра, создает в кварце черенковский свет, который выводится по оптоволокнам на торец калориметра.

Точность восстановления энергии частицы в калориметре улучшается с ростом энергии. Для частиц с энергиями в сотни ГэВ погрешность составляет порядка процента для электромагнитных калориметров и несколько процентов - для адронных.

Мюонные камеры

Характерная особенность мюонов заключается в том, что они очень медленно теряют энергию при движении сквозь вещество. Так происходит из-за того, что они, с одной стороны, очень тяжелые, поэтому не могут эффективно передавать энергию электронам при столкновении, а во-вторых, они не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они слабо рассеиваются на ядрах. В результате мюоны могут пролететь до момента своей остановки многие метры вещества, проникнув туда, куда не долетают никакие другие частицы.

Это, с одной стороны, делает невозможным измерение энергии мюонов с помощью калориметров (ведь полностью мюон поглотить не удастся), но с другой стороны, позволяет хорошо отличать мюоны от других частиц. В современных детекторах мюонные камеры расположены в самых внешних слоях детектора, часто даже снаружи массивного металлического ярма, создающего магнитное поле в детекторе. Такие трубки измеряют не энергию, а импульс мюонов, и при этом можно с хорошей достоверностью считать, что эти частицы - именно мюоны, а не что-либо еще. Имеется несколько разновидностей мюонных камер, используемых для разных целей.

Идентификация частиц

Отдельный вопрос - это идентификация частиц , то есть выяснение того, что за частица пролетела сквозь детектор. Это не составило бы труда, знай мы массу частицы, но как раз ее мы обычно и не знаем. С одной стороны, массу в принципе можно вычислить по формулам релятивистской кинематики, зная энергию и импульс частицы, но, к сожалению, погрешности в их измерении обычно столь велики, что не позволяют отличить, например, пи-мезон от мюона из-за близости их масс.

В этой ситуации имеется четыре основных метода идентификации частиц:

• По отклику в разных типах калориметрах и в мюонных трубках.
• По энерговыделению в трековых детекторах. Разные частицы производят разное количество ионизации на сантиметр пути, и ее можно измерить по силе сигнала с трековых детекторов.
• С помощью черенковских счетчиков . Если частица летит сквозь прозрачный материал с коэффициентом преломления n со скоростью больше, чем скорость света в этом материале (то есть больше, чем c/n ), то она испускает черенковское излучение в строго определенных направлениях. Если в качестве вещества детектора взять аэрогель (типичный показатель преломления n = 1,03), то черенковское излучение от частиц, движущихся со скоростью 0,99·c и 0,995·c , будет существенно различаться.
• С помощью времяпролетных камер . В них с помощью детекторов с очень высоким временным разрешением измеряется время пролета частицей определенного участка камеры и из этого вычисляется ее скорость.

У каждого из этих методов есть свои сложности и погрешности, поэтому идентификация частиц обычно не бывает гарантированно правильной. Иногда программа обработки «сырых» данных с детектора может прийти к выводу, что в детекторе пролетел мюон, хотя на самом деле это был пион. Полностью избавиться от таких погрешностей невозможно. Остается лишь тщательно изучать детектор перед работой (например, с помощью космических мюонов), выяснить процент случаев неверной идентификации частиц и уже в дальнейшем при обработке реальных данных всегда его принимать в расчет.

Требования к детекторам

Современные детекторы элементарных частиц иногда называют «большими братьями» цифровых фотоаппаратов. Однако стоит помнить, что условия эксплуатации фотоаппарата и детектора кардинально различаются.

Прежде всего, все элементы детектора должны быть очень быстрыми и очень точно синхронизованными друг с другом. На Большом адронном коллайдере в пике производительности сгустки будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду. В каждом столкновении будет происходить рождение частиц, которые оставят свою «картинку» в детекторе, и детектор должен не «захлебнуться» этим потоком «снимков». В результате за 25 наносекунд требуется собрать всю ионизацию, которую оставили пролетевшие частицы, превратить ее в электрические сигналы, а также очистить детектор, подготовив его к очередной порции частиц. За 25 наносекунд частицы пролетают всего 7,5 метров, что сопоставимо с размерами крупных детекторов. Пока во внешних слоях детектора собирается ионизация от пролетевших частиц, сквозь его внутренние слои уже летят частицы из следующего столкновения!

Второе ключевое требование к детектору - радиационная стойкость . Элементарных частицы, разлетающиеся от места столкновения сгустков, - это самая настоящая радиация, причем очень жесткая. Например, ожидаемая поглощенная доза ионизирующей радиации, которую получит вершинный детектор за время работы, составляет 300 килогрей плюс суммарный нейтронный поток 5·10 14 нейтронов на см 2 . В этих условиях детектор должен работать годами и при этом оставаться исправным. Это касается не только материалов самого детектора, но и электроники, которой он напичкан. На создание и тестирование отказоустойчивой электроники, которая будет работать в столь радиационно жестких условиях, ушло несколько лет.

Еще одно требование к электронике - низкое энерговыделение . Внутри многометровых детекторов нет свободного места - каждый кубический сантиметр объема заполнен полезной аппаратурой. Система охлаждения неизбежно отбирает рабочий объем детектора - ведь если частица пролетит прямо сквозь охлаждающую трубу, она просто не будет зарегистрирована. Поэтому энерговыделение от электроники (а это сотни тысяч отдельных плат и проводов, снимающих информацию со всех компонентов детектора) должно быть минимальным.

Дополнительная литература:

• К. Групен. «Детекторы элементарных частиц» // Сибирский Хронограф, Новосибирск, 1999.
• Particle Detectors (PDF, 1,8 Мб).
• Детекторы частиц // глава из учебного пособия Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. «Частицы и ядра. Эксперимент». М.: Издательство МГУ, 2005.
• Н. М. Никитюк. Прецизионные микровершинные детекторы (PDF, 2,9 Мб) // ЭЧАЯ, т. 28, вып. 1, стр.191–242 (1997).

Счетчик Гейгера.

Сцинтилляционный счетчик.

Полупроводниковый детектор. В кристалле полупроводника частица создает дополнительные заряды - электронно-дырочные пары. Под действием приложенного напряжения они перемещаются к электродам детектора, создавая во внешней цепи электрический импульс.

Стриповый детектор. Матрица из взаимно-перпендикулярных полосок кремния позволяет с высокой точностью измерять координаты частицы.

Черенковские счетчики нейтринного детектора (Лос- Аламос, США).

Сотрудники МИФИ за сборкой детектора переходного излучения (TRD) для установки ATLAS (Церн, Женева).

Камера Вильсона.

Пузырьковая камера.

Фотография столкновения ионов серы и золота в стримерной (разновидность искровой) камере. Треки рожденных при столкновении заряженных частиц в ней выглядят как цепочки отдельных несливающихся разрядов - стримеров.

Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона.

Принцип работы первой камеры Вильсона.

Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS.

С открытия в конце XIX века первой элементарной частицы – электрона уже более ста лет физики придумывают все новые и новые приборы для изучения этих мельчайших единиц материи.

Проще всего регистрировать заряженные частицы, поэтому их и открыли раньше. Их выдает ионизационный след, оставляемый электронно-ионными парами вдоль своего пути. За электроном, обнаруженным в потоке лучей разрядной трубки, вскоре были открыты протон (ядро атома водорода), a-частица (ядро атома гелия), ядра других элементов и целая плеяда элементарных частиц, от сравнительно легких мезонов до тяжелых гиперонов и еще более массивных частиц, в состав которых входят тяжелые кварки (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).

Прямая регистрация нейтральных частиц невозможна: они вещество не ионизуют и дают знать о себе только в ходе взаимодействий с образованием заряженных частиц, которые их «засвечивают». Так был открыт нейтрон (по протонам отдачи), гамма-квант (по электрон-позитронным парам) и многие другие «нейтралы».

Приборы, «улавливающие» частицы, делятся на две группы – счетчики и камеры.

Счетчики фиксируют факт прохождения частицы, определяя момент времени (иногда с высокой, до наносекунд, 10-9 c, точностью), величину теряемой энергии, а если из них составить «телескоп», связанный электронной схемой совпадений, то и направление прилета частицы. Хорошо известны газоразрядный счетчик Гейгера, верой и правдой прослуживший в физике полсотни лет; пропорциональный счетчик, сигнал которого служит мерой ионизационных потерь частицы; семейство сцинтилляционных счетчиков. В неорганических сцинтилляторах (кристаллы NaI, CsI и др.), их органических (антрацен и др.) и пластических (полистирол и др.) аналогах под действием заряженных частиц возникают вспышки люминесценции. Это слабое свечение в миллионы раз усиливают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Сцинтилляционные счетчики появились в середине прошлого века и успешно используются по сегодняшний день.

Полупроводниковые счетчики, сигнал которых образуют пары электрон-дырка в слое полупроводника, по чувствительности превосходят сцинтилляторы. Лучшие из них - кристаллы германия, активированные литием, (Ge(Li), - измеряют энергию частицы с точностью 0,1%, но имеют ограниченный размер и требуют глубокого охлаждения. Стриповые детекторы, получившие широкое применение в последние годы, - это разновидность полупроводниковых счетчиков в виде узких полос кремния на твердой подложке. Их взаимно-перпендикулярные слои позволяют измерять координаты частиц с точностью до десятка микрон.

Ионизационная камера, один из самых древних детекторов, это, по сути дела, счетчик, который измеряет полный заряд, созданный частицей в результате ионизации. Различные ее модификации (газовые, жидкостные) до сих пор применяются для измерения энергии частиц и их пучков, особенно часто в дозиметрии. Ксеноновая камера высокого давления, несколько уступая по энергетическому разрешению кристаллам Ge(Li), не ограничена размерами и не требует охлаждения, что особенно ценно для постановки экспериментов на спутниках.

Еще более чувствительны черенковские счетчики, улавливающие когерентное излучение частицы, движущейся со скоростью большей скорости света в среде. Их последнее достижение – так называемые RICH-детекторы (ring imajing Cherenkov), «видящие» не отдельные фотоны, а все кольцо черенковского света, что позволяет измерить многие свойства регистрируемой частицы. К этому классу детекторов относятся и TRD-детекторы (transition radiation detector), счетчики переходного излучения, возникающего при пересечении заряженной частицей границы двух сред. Они выделяют ультрарелятивистские частицы (скорость которых очень близка к скорости света) в огромном потоке частиц и все шире применяются на ускорителях высоких энергий.

Ансамбль счетчиков, размещенный в потоке регистрируемых частиц, образует так называемую годоскопическую установку, которая позволяет проследить путь каждой отдельной частицы, а помещенная в магнитное поле - измерить ее импульс и знак заряда. Счетчики прослаиваются калориметрами - устройствами, измеряющими энергии частиц по образованному ими ливню электронов, позитронов, фотонов в веществе. Счетчики, включенные в «систему времени пролета», измеряют скорость частицы. Современные установки на ускорителях, насчитывающие тысячи счетчиков, дают пространственную картину события - рождения множества вторичных частиц, их распадов и взаимодействий, возникающих при попадании ускоренной частицы в мишень.

Камеры, или трековые детекторы, – это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами. Первым трековым детектором была широко известная камера Вильсона (в иностранной литературе - «туманная камера»). Принцип ее действия заключается в образовании капелек тумана на ионизационном следе частицы в переохлажденном паре после резкого сброса давления. Камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, стала одним из главных физических приборов начала прошлого столетия; эксперименты с нею привели ко многим фундаментальным открытиям.

Позднее роль лидера измерительной техники перешла к пузырьковой камере, в которой треки частиц создавали микроскопические пузырьки газа в перегретой жидкости. Пузырьковые камеры, особенно наполненные жидким водородом (протонные мишени), способствовали получению выдающихся результатов в ускорительных экспериментах. Известная жидководородная камера Мирабель (самая большая в мире) работала на многих ускорителях, в том числе на синхрофазотроне ИФВЭ (Протвино). Недостатки термодинамических камер (Вильсона, пузырьковой) – малое быстродействие и невозможность автоматизации данных, что стало заметным препятствием после введения в эксперимент компьютера как управляющего и обрабатывающего центра.

Особое место занимает фотоэмульсионная камера (развитие метода ядерной фотоэмульсии) – рекорд-смен по точности измерения координат (до 1 микрона), но совершенно не приспособленная для работы со счетчиками и компьютером. Данные с нее приходится обрабатывать вручную.

На смену ей пришли электроразрядные устройства, резко повысившие эффективность использования ускорительных пучков (за счет быстродействия и возможности «стыковки» со счетчиками частиц): искровые и их разновидность - стримерные камеры. Искры и стримеры – цепочки отдельных разрядов - с высокой точностью следуют по ионизационному следу, даже имеющему форму дуги при движении частицы в магнитном поле. Различные виды искровых и стримерных камер участвовали в важных экспериментах, но все же более универсальным и гибким средством, отвечающим современным требованиям, оказались многопроволочные камеры – пропорциональные, дрейфовые и других модификаций.

Регистрация нейтральных частиц осуществляется теми же методами, что и заряженных (счетчики + камеры), только с учетом того, что прежде они должны создать заряженные частицы.

Особое место занимают детекторы нейтрино - частиц, не участвующих ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, их поток может проходить слой свинца в тысячи астрономических единиц. Вероятность их взаимодействия с веществом на много порядков меньше, чем у заряженных частиц. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Чтобы снизить фон от посторонних заряженных частиц, нейтринные детекторы располагают под большими толщами вещества (подземные и подводные установки). Широкую известность получили детекторы солнечных нейтрино – Homestake (хлор-аргонный детектор Дэвиса, США), Kamiokande (Япония), а также российские – галлий-германиевый детектор в Баксане и установка «Байкал» в прозрачных водах знаменитого озера (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).

Иллюстрация "Счетчик Гейгера".
В стеклянную трубку, заполненную газом при давлении 100–200 мм рт. ст., помещены два электрода – анод в виде тонкой нити и цилиндрический катод на стенке трубки, к которым приложено постоянное напряжение в несколько сотен вольт. При попадании в трубку заряженной частицы газ ионизуется. Свободные электроны движутся с ускорением к аноду, производя вторичную ионизацию газа. Возникает разряд, вызывающий появление электрического импульса.

Иллюстрация "Сцинтилляционный счетчик".
При попадании заряженной частицы в сцинтиллятор (кристалл, кювету с жидкостью или слой пластика) в нем возникает слабая вспышка люминесценции. Ее свет через световод поступает в фотоэлектронный умножитель, вырабатывающий электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна потере энергии налетающей частицы.

Иллюстрация "Черенковские счетчики нейтринного детектора (Лос- Аламос, США)".
В емкость заливается 167 тонн минерального масла с примесью сцинтиллятора. При взаимодействии нейтрино с атомами вещества образуются электроны высокой энергии, скорость которых больше скорости света в среде. При их движении возникает свечение, распространяющееся в виде конуса. Его регистрируют 1220 фотоумножителей на стенках емкости.

Иллюстрация "Камера Вильсона".
Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Иллюстрация "Пузырьковая камера".
Емкость заполнена хорошо очищенной жидкостью. Центры образования пара в жидкости отсутствуют, поэтому ее можно перегреть выше точки кипения. Но проходящая частица оставляет за собой ионизованный след, вдоль которого жидкость вскипает, отмечая траекторию цепочкой пузырьков. В современных камерах используются жидкие газы – пропан, гелий, водород, ксенон, неон и др. На снимке: пузырьковая камера, сконструированная в ФИАНе. 1955–1956 годы.

Иллюстрация "Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона".
Первый детектор заряженных частиц – камера Вильсона - был создан 19 апреля 1911 года. Камера представляла собой стеклянный цилиндр диаметром 16,5 см и высотой 3,5 см. Сверху цилиндр закрывался приклеенным зеркальным стеклом, через которое фотографировали следы частиц. Внутри находился второй цилиндр, в нем – деревянное кольцо, опущенное в воду. Испаряясь с поверхности кольца, она насыщала камеру водяными парами. Вакуумный насос создавал разрежение в шаровидной емкости, соединенной с камерой трубкой с вентилем. При открывании вентиля в камере создавалось разрежение, водяные пары становились пересыщенными, и на следах заряженных частиц происходила их конденсация в виде полосок тумана (именно поэтому в зарубежной литературе прибор называется the cloud chamber – «туманная камера»).

Иллюстрация "Принцип работы первой камеры Вильсона".
На нитке 1 подвешены шарики 2 и 3. Нитку пережигали, одновременно открывая вентиль 4. Шарики, падая, замыкали последовательно контакты 5 и 6, подключенные к источникам высокого напряжения – батареям лейденских банок. Включалась рентгеновская трубка 7, ионизирующая своим излучением газ в камере, и спустя сотые доли секунды в разряднике 8 возникала искра, освещающая треки. Их снимал фотоаппарат 9. Так без малого сто лет назад начались исследования микромира.

Иллюстрация "Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS".
Современная установка для регистрации элементарных частиц ATLAS, созданная для работы на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), который строится в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В этом гигантском сооружении высотой с восьмиэтажный дом собрана аппаратура для регистрации взаимодействий адронов - элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном взаимодействии. Это детекторы мюонов 1, трековый детектор переходного излучения 8, электромагнитные и адронные калориметры 3, 4, 7, огромные сверхпроводящие магниты 2, 5, 9. Детекторы закрыты мощным слоем радиационной защиты 6. Все устройства выполнены с точностью до 100 микрон, должны работать синхронно в условиях сильных полей и потоков фотонов и нейтронов плотностью 107 см2/с многие годы. ATLAS регистрирует все частицы, приходящие в детектор под любыми углами, одновременно фиксируя их характеристики. Основа всей установки - детектор переходного излучения, предназначенный для регистрации следов ультрарелятивистских частиц и их классификации по рентгеновскому излучению, возникающему при их переходе границы двух сред (здесь - воздух-полипропилен), явлению, открытому в 1950-х годах В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком. Детектор состоит из 400 тысяч трубок диаметром 4 мм и с четырехслойными стенками толщиной 28 мк. По принципу работы они напоминают счетчик Гейгера: трубка наполнена газовой смесью, по ее оси проходит тонкая проволока под напряжением +1500 В. Частица ионизует газ, электрон дрейфует к проволоке (аноду). Возникший сигнал считывает быстродействующая аппаратура, фиксирующая время прихода и координату с точностью около 1 нс и 100 мк. Весь детектор занимает объем несколько кубических метров и позволяет регистрировать и распознавать «сорта» примерно 10 млрд частиц ежесекундно.