Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц презентация

Цель:
Познакомиться с методами регистрации элементарных частиц, оценить эффективность разных методов наблюдения
Выяснить область применения того или иного метода;
Выявить преимущества и недостатки данного метода по сравнению с другими методами регистрации элементарных частиц

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц
Регистрирующий прибор- сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванное пролетевшей частицей, немедленно начинается процесс перехода системы в новое , более устойчивое состояние. Этот процесс позволяет регистрировать частицу.

Основные характеристики регистрирующих устройств
Эффективность (отношение количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор.)
Минимальное время регистрации (время, за которое прибор после регистрации частицы возвращается в рабочее состояние)
Точность измерений энергии, масс, зарядов и т.д.

Газоразрядный счетчик Гейгера.
Назначение:
Регистрация электронов и γ- квантов(1%)
Действие счетчика основано на ударной ионизации
Устройство:
1-стеклянная трубка, покрытая изнутри металлическим слоем -2 (катод ),
3- тонкая металлическая нить, идущая вдоль оси трубки (анод)
Трубка заполняется газом (аргон)
1
2
3

Принцип действия счетчика Гейгера
Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов электроны.
Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация.
Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает.
При этом на нагрузочном резисторе образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство ( усилитель или механический счетчик)

Для того, чтобы счетчик мог регистрировать новую частицу, лавинный заряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как падение напряжения в момент приема частицы на резисторе велико, то напряжение между анодом и катодом падает, разряд прекращается , счетчик готов к работе.
Радиометр, чувствительный элемент — счётчик Гейгера — расположен в выносном блоке на переднем плане.
В бытовых дозиметрах и радиометрах производства России обычно применяются 400-вольтовые счётчики

Сцинтилляционный счетчик
Назначение: эффективная регистрация частиц, измерение энергии частицы
Применение: в экспериментах на крупнейших ускорителях Сцинтилляционные детекторы ядерных изучений
Метод сцинтилляций был использован Резерфордом в 1911г, а предложил его У. Крупе в 1903г. Простейшим средством регистрации излучений был экран, покрытый люминесцирующим веществом

Сцинтилля́торы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.).

Принцип действия сцинтилляционного счетчика
В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя — ФЭУ), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.
1
2
4
5
6
7
3
1- сцинтиллятор, 2- фотокатод, 3,4,5- диноды, 6- анод, 7- алюминиевая фольга

Преимущества сцинтилляционных счетчиков
Простое устройство;
Успешно регистрируют практически все частицы.( даже регистрация гамма-квантов 100%)
Используя большие объемы жидкого сцинтиллятора, можно регистрировать частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом.

Черенковский счетчик
Назначение: регистрация частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, определение скорости частицы
Применение: в экспериментах на крупнейших ускорителях
А
В
D
E
F

Принцип действия:
при движении частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, возникает слабое излучение.
Этот эффект можно использовать для регистрации элементарных частиц, улавливая с помощью чувствительного фотоумножителя черенковское излучение, возникающее в газе, жидкости или твердом теле.

Камера Вильсона
Ка́мера Ви́льсона — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.
Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости.
Стеклянная
пластина
поршень

Камера Вильсона
Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) камеру помещают в магнитное поле, искривляющее треки.

Принцип действия камеры 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.
Стеклянная
пластина
поршень

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 г. Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам

Пузырько́вая ка́мера
— прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Изобретение пузырьковой камеры
Пузырьковая камера была изобретена Доналдом Глазером (США) в 1952 году.
За своё открытие Глазер получил Нобелевскую премию в 1960 году.
Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глазера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью.

Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз большую информацию.

Принцип работы
Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована.

В качестве рабочей жидкости наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные пузырьковые камеры), а также пропан, различные фреоны, ксенон, смесь ксенона с пропаном (тяжеложидкостные пузырьковые камеры).

Создание перегретой жидкости
Перегрев жидкости достигается за счет быстрого понижения давления до значения при котором температура жидкости оказывается выше температуры кипения (при текущем давлении).
Понижение давления осуществляется за время ~ 5—15 мс перемещением поршня (в жидководородных камерах) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).
поршень

Процесс измерения
Частицы впускаются в камеру в момент её максимальной чувствительности. Спустя некоторое время, необходимое для достижения пузырьками достаточно больших размеров, камера освещается и следы фотографируются
После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и камера снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы составляет величину менее 1 сек, время чувствительности ~ 10—40 мсек.
Пузырьковые камеры (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны их траекторий.

Применение
Пузырьковые камеры, как правило, используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени.

Характеристики, достоинства и недостатки
Эффективность регистрации пузырьковой камеры различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном её размерами. Наиболее типичный объём — сотни литров, но существуют камеры гораздо большего размера, например водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий РАН имеет объём 10 м³; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории США — объём 25 м³.
Основное преимущество пузырьковой камеры — изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов.
Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.

Искровая камера
прибор для наблюдения и регистрации траекторий (треков) заряженных частиц, был изобретен в 1957 году. Действие основано на применении электрического пробоя.
Широко используется для исследования ядерных частиц, ядерных реакций, элементарных частиц и космических лучей.

Принцип действия искровой камеры
В простейшем варианте ИК представляет собой две плоскопараллельные пластины — электроды, пространство между которыми заполнено газом (чаще Не, Ne или их смесью).
На пластины подается высокое напряжение, чуть ниже пробойного. При пролете быстрой частицы вдоль ее траектории между пластинами проскакивают искры, создавая огненный трек

Преимущества и недостатки
Преимущества искровой камеры по сравнению с пузырьковой
Может управляться автоматически;
Автоматическая регистрация треков с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке, что чрезвычайно сокращает время между экспериментом и получением обработанной информации;
Внутри камер можно размещать многотонные металлические пластины для увеличения вероятности обнаружения редких реакций.
Недостатки:
четкость треков в пузырьковой камере намного выше

Метод толстослойных фотоэмульсий
Заряжённые частицы создают скрытые изображения следа движения.
По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
Фотоэмульсия имеет большую плотность, поэтому треки получаются короткими.

Метод толстослойных фотоэмульсий
Метод фотоэмульсий был развит советскими физиками Л.В.Мысовским, А.П. Ждановым и др.
Преимущество фотоэмульсий состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления
Благодаря высокой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.