ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ
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.
Читайте в любое время
