Материал: Методы регистрации частиц. Ускорители частиц

Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (≈10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Искровой счетчик.

Если разность потенциалов между анодом и катодом в газонаполненном счетчике превысит некоторое критическое значение, то появление в его объёме свободных носителей зарядов вызовет искровой пробой (разряд). При этом амплитуда электрического сигнала с такого счётчика (называемого искровым) может достигать сотен вольт. После разряда счётчику требуется время 10-3-10-4 с для восстановления (очистки рабочего газового объёма от положительных ионов), после чего он будет в состоянии зарегистрировать новую частицу. В простейшем варианте искровой счётчик представляет собой два плоскопараллельных металлических электрода, к которым приложена разность потенциалов несколько кВ. Площадь электродов - десятки квадратных сантиметров. Пространство между электродами обычно заполнено инертным газом. Зазор между электродами может варьироваться в пределах 0.1-10 мм. Разрядная искра строго локализована. Она возникает там, где появляются первичные электроны, и поэтому указывает место попадания частицы в счётчик.

Полупроводниковые детекторы.

Газонаполненные детекторы имеют два недостатка. Во-первых, плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (30-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение. Значительно более удобными в этом плане являются детекторы с твёрдотельной рабочей средой. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2.3 г/см3) и германия (5.3 г/см3). В полупроводниковом детекторе определенным образом создается чувствительная область, в которой нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора.

Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка в кремнии равна 3.62 эВ при температуре T = 300 K и 3.72 эВ при T = 80 K, германии она равна 2.95 эВ при T = 80 K. Это при использовании полупроводникового счётчика в качестве спектрометра позволяет в несколько раз улучшить энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как ионизационная камера и пропорциональный счётчик.

Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые детекторы и детекторы из сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 МэВ и α-частиц с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и α-частиц с энергиями ~40 МэВ и ~160 МэВ соответственно. Более того, германиевые детекторы могут быть изготовлены с гораздо более толстой чувствительной областью.

Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.

Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрах γ-квантов. В этом случае применяются специально выращенные кристаллы сверхчистого германия объёмом до нескольких сотен см3. Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32 и поэтому эффективное сечение взаимодействия γ-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z5, Комптон-эффекта - Z, рождения пар - Z2). Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77о К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ-квантов достигает 0.1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временнoе разрешение лучших полупроводниковых детекторов 10-8-10-9 с.

1.5 Микроканальные пластины

Рис. 11 - Конструкция МКП

Микроканальные пластины (МКП) представляют собой сотовые структуры, образованные большим числом стеклянных трубок (каналов) диаметром 5-15 мкм с внутренней полупроводящей поверхностью, имеющей сопротивление от 20 до 1000 МОм. Другими словами МКП представляет собой сборку большого (несколько миллионов) количества канальных электронных умножителей. Когда налетающая частица (ион, электрон, фотон и т.п.) попадает в канал, из его стенки выбиваются электроны, которые ускоряются электрическим полем, созданным напряжением приложенным к концам канала. Вторичные электроны летят по своим параболическим траекториям, пока не попадут на стенку, в свою очередь, выбивая еще большее количество вторичных электронов. Этот процесс по мере пролета вдоль канала повторяется много раз и на ее выходе формируется электронная лавина.

Коэффициент усиления МКП g определяется соотношением

 (1)

где G - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств материала стенок канала и приложенного напряжения, L и d - длина и диаметр канала.  Отношение  у стандартных МКП около 40-80. Коэффициент усиления у однокаскадных МКП ~104, у двухкаскадных (шевронных) ~107, у трехкаскадных - до 109. Чтобы налетающие частицы попадали на стенки каналов, они располагаются под некоторым углом к направлению их движения (обычно 5°-15°).

Размеры МКП варьируются от нескольких миллиметров до 10 см и больше. Форма МКП может быть самая разнообразная - округлая, прямоугольная, практически любая, необходимая для конкретного приложения. Кроме того, поверхность их может быть сделана сферической или цилиндрической, для того, например, чтобы соответствовать фокальной плоскости магнитного или электростатического спектрометра.

Рис. 12 - Выходной сигнал у МКП фирмы HAMAMATSU, предназначенной для измерений времени пролета

МКП имеют уникальное сочетание свойств - большой коэффициент усиления, высокое пространственное и временное разрешение. (Пространственное разрешение для однокаскадных МКП определяется диаметром канала. Временное - временем пролета электронной лавиной канала, которое меньше 1 нс.)

МКП используются в различных областях (электронная спектроскопия и микроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская астрономия, ядерные исследования). В большинстве случаев используются только некоторые свойства МКП. Так для магнитных или электростатических анализаторов в основном важно пространственное разрешение, а для метода времени пролета временное. Детекторы на базе МКП оптимизируются с учетом решаемых с их помощью задач.

В общем случае детекторы на базе МКП состоят из трех частей.

Конвертора, который преобразует входное излучение в другое, которое может эффективно взаимодействовать непосредственно с МКП. Например, также как и в ФЭУ используются фотокатоды для сдвига длин волн в область чувствительную для МКП. Для электронов, ионов и ультрафиолета конвертеров обычно не нужно.

Собственно сборки МКП. В зависимости от решаемой задачи они могут иметь от одного до трех каскадов. Для временных измерений оптимальными считаются двухкаскадные (шевронные).

Вывода данных. Для приложений, в которых пространственное разрешение не имеет значения, для вывода сигнала можно использовать сплошной металлический анод. Там, где важно пространственное разрешение анод может быть секционированным или резистивным и т.д.

Использование МКП накладывает довольно жесткие требования к вакуумной системе. Для их нормальной работы требуется давление не менее 6.5.10-4 Па (5.10-6 торр).

По сравнению с ФЭУ, МКП имеют малые габариты, лучшие временные характеристики и заметно меньшую чувствительность к магнитным полям.

1.6 Трековые и координатные детекторы

Трековыми детекторами называют группу детекторов, в которых при прохождении заряженной частицы возникает визуально наблюдаемый след (трек) этой частицы. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы).

В трековых детекторах след частицы визуально наблюдаем. В то же время есть группа детекторов (многопроволочная пропорциональная камера, дрейфовая камера, полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые другие), в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть координатными.

Микростриповые детекторы, а также прецизионные многослойные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры часто используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов, непосредственно окружающих мишень (или место столкновения пучков в коллайдерах). Центральные детекторы играют важную роль в современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти 100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения и определяют направление их вылета. Более габаритные детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации этих родившихся и вторичных частиц и определения их характеристик (координат, импульсов, энергий и др.).

Ядерные фотоэмульсии.

Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим методом столкнулся А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем (эта работа была отмечена Нобелевской премией).

Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно бóльшую толщину - до нескольких сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

Диэлектрические детекторы.

К ядерным эмульсиям функционально примыкают диэлектрические детекторы (стёкла, слюды, природные и синтетические кристаллы, органические полимеры), которые избирательно чувствительны к многозарядным ионам и осколкам деления ядер. В них, как и в фотоэмульсиях, возникает скрытое изображение в форме остаточных дефектов вдоль трека частицы, которые выявляются химическим травлением. Следы тяжёлых частиц наблюдаются под микроскопом как каналы или лунки диаметром в десятки и сотни мкм. Диэлектрические детекторы имеют высокую эффективность регистрации и низкий уровень фона. Они не чувствительны к свету, α-частицам, γ-излучению, высокоэнергичным малозарядным частицам. Их используют и для регистрации нейтронов по осколкам деления ядер, которое эти нейтроны вызывают.

Камера Вильсона.

Камера Вильсона - трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта - на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.

Рис. 13 - Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

Рис. 14 - К принципу работы камеры Вильсона

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

Диффузионная камера.

Перенасыщение пара можно создать не только расширением объёма газовой среды, но и диффузией пара из нагретой области в холодную. Этот принцип используется в диффузионной камере. В отличие от камеры Вильсона диффузионные камеры обладают непрерывной чувствительностью, так как в них диффузия пара из нагретой части в холодную осуществляется постоянно. В диффузионных камерах обычно используются пары спиртов, а для охлаждения - сухой лед. Диффузионные камеры часто помещают в магнитное поле. Диффузионная камера была изобретена в 1936 г. Александром Ландгсдорфом.

Пузырьковая камера.