§37. Регистрация элементарных частиц

§37. Регистрация элементарных частиц
Регистрирующий прибор — это устройство, принцип работы которого заключается в том
что он может находиться в неустойчивом состоянии и при небольшом возмущении,
вызванном пролетевшей элементарной частицей, начинается процесс перехода системы
в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать
частицу.
Счетчиков элементарных частиц много. В настоящее
преимущественно сцинтилляционные и черенковские счетчики.
время
применяются
Сцинтилляционные счетчики
Регистрация α-частиц по крохотным вспышкам света (сцинтилляциям) при попадании их
на экран, покрытый сернистым цинком, использовалась еще в опытах Резерфорда по
рассеянию α-частиц ядрами число частиц, которые в результате рассеяния летели под
определенным углом, определялось путем визуальных наблюдений сцинтилляций в
микроскоп. Этот метод в 40-х годах 20 века был возрожден благодаря двум
усовершенствованиям. Непрозрачные экраны, покрытые сернистым цинком, были
заменены прозрачными кристаллами некоторых органических соединений или
неорганическими кристаллами йодистого натрия (Nal) или йодистого калия (KI) с
примесями, а также прозрачными жидкими сцинтилляторами. Благодаря этому
оказалось возможным заменить
поверхностный
эффект
объемным и, поскольку при
этом
количество
вспышек
станет
больше,
обеспечить
Сцинтил
высокую
чувствительность
лятор
прибора. Во-вторых, вместо
визуальной
регистрации
вспышек света в сцинтилляторе
было предложено применять
Схема фотоумножителя
изобретенный к тому времени
фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), имеющий коэффициент усиления около ста
миллионов.
Сцинтилляционный счетчик представляет собой комбинацию сцинтиллятора
(твердого или жидкого) и фотоумножителя. Излучаемый сцинтиллятором, при
прохождении частицы, свет попадает на фотокатод. Выбитые из катода электроны
ускоряются электрическим полем, их количество растет за счет вторичных
электронов, выбитых из промежуточных электродов — динодов. В конце концов,
возникает достаточно сильный импульс тока, который можно непосредственно
регистрировать. Существенно, что величина выходного импульса счетчика прямо
пропорциональна поглощенной
сцинтиллятором
энергии
частицы.
Это
позволяет измерять энергию частиц.
Широкое
применение сцинтилляционных
счетчиков объясняется тем, что,
имея
простое
устройство, они успешно регистрируют практически
все
частицы. Эффективность
регистрации велика. Даже γ-кванты могут
регистрироваться с эффективностью 100%. Используя большие объемы жидкого
сцинтиллятора, можно регистрировать частицы, очень слабо взаимодействующие с
веществом.
Как наблюдают невидимое?
Увидеть
элементарные
частицы невозможно, но очень точную информацию о них
получают по следам, которые те оставляют внутри приборов. Приборов
регистрирующих частицы очень много, но самые наглядные «следы» получаются с
помощью камеры Вильсона и пузырьковой камеры.
Принцип действия камеры Вильсона
Камера Вильсона, созданная еще в 1912 г., представляет собой
герметически закрытый сосуд с прозрачными стенками,
заполненный парами жидкости, близкой к насыщению. Дном камеры
служит подвижной поршень. При резком опускании поршня газ в
камере расширяется и одновременно охлаждается, так как при
расширении он совершает работу и расходует часть своей
внутренней энергии. Пары становятся перенасыщенными, т. е.
весьма неустойчивыми, склонными к конденсации. Центрами
конденсации становятся ионы, которые создает быстрая заряженная Ч. Вильсон
частица, отрывая электроны от нейтральных атомов, вдоль цепочки (1869 − 1959)
ионов, которые она образует, происходит конденсация паров.
Образующиеся на ионах капельки воды образуют след пролетевшей
частицы — трек, который можно сфотографировать. По длине трека определяют
энергию, частицы а по числу капелек на единице длины оценивают модуль скорости
частицы.
Физики Д. В. Скобельцын и П. Л. Капица предложили
помещать камеру Вильсона в магнитное поле, которое
искривляет траекторию заряженных частиц. По направлению
отклонения и кривизне траектории можно определить знак
заряда частицы и отношение заряда к массе.
Недостаток камеры Вильсона заключается в том, что из-за малой
плотности рабочего вещества камеры (газа) нельзя проследить
цепь рождений и распадов частиц с большой энергией, они
покидают камеру, не испытав каких-либо превращений.
П.Л. Капица
(1894 −1984
Пузырьковая камера
В 1952 г. была построена пузырьковая камера. Эта камера
наполняется жидкостью, первоначально
жидким водородом или пропаном, затем
более плотными, например, фреоном.
В подготовленном для работы состоянии
p
жидкость в камере находится под высоким
давлением,
предохраняющим
ее
от
закипания, несмотря на то, что температура
жидкости выше температуры кипения при
0
атмосферном давлении. При резком
понижении давления жидкость в течение
0
некоторого времени находится в неустойчивом состоянии, так как для закипания
нужны
центры
парообразования.
Пролетающая заряженная частица создает Треки частиц зафиксированные и
цепочки ионов, и на них образуются пузырьки пара, составляющие трек частицы.
В плотной жидкости частица быстро теряет свою энергию и частицы больших энергий
застревают в камере, что и позволяет наблюдать цепочки распадов частиц.
Недостаток этой камеры в трудоемкости обработки информации. На изучение каждой
фотографии затрачивается много времени. Сначала их просматривают, отбирают
интересные, затем изображения преобразуются в серию электрических импульсов, дальнейший анализ производится с помощью ЭВМ. Очень велика вероятность
пропустить редкие события.
Для увеличения вероятности обнаружения редких реакций между частицами были
созданы огромные пузырьковые камеры с рабочим объемом около 30 м3.