Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Детектирование космических лучей

Детектирование космических лучей

Космические лучи — это частицы различной природы и с различной энергией, приходящие к Земле из внешнего космоса (от Солнца, других звезд, новых, сверхновых и даже таких экзотических и удаленных объектов как квазары.). Космические лучи были открыты в 1912 году Виктором Гессом (Victor Franz Hess), обнаружившим эффект роста потока радиации с высотой. Энергия частиц космических лучей варьируется от 10 9 до 10 21 эВ. Исследователи знают о существовании в космических лучах космических частиц с чрезвычайно высокой энергией. Самые высокоэнергетические из них обладают энергией, в сотни миллионов раз превышающей энергию частиц в самых мощных ускорителях. Первая из них была детектирована в 1962 в Нью-Мехико (New Mexico). Затем такие частицы были обнаружены в обсерватории Pierre Auger Observatory в Аргентине. Причина возникновения этих частиц и механизм их ускорения до таких энергий до сих пор неизвестны. Изучение таких частиц затруднено из-за того, что они чрезвычайно редки — за век на квадратный километр падает только одна такая частица.

Карл Андерсон

С космическим лучами связаны такие частицы как мюоны. Эти частицы возникают в верхних слоях атмосферы на высоте около 15 км под воздействием космических лучей. Частицы космических лучей (протоны и альфа-частицы с небольшой примесью тяжелых ядер, позитронов и антипротонов), попадая в атмосферу, вызывают возникновение каскадов вторичных частиц, в том числе и мюонов, которые и достигают поверхности Земли. Основной причиной возникновения мюонов является распад пионов: $pi^+ to mu^+ + nu_mu$ , $pi^- to mu^- + bar$ . Мюоны открыты в 1936 году Карлом Андерсоном (на фотографии слева) и с тех пор привлекают внимание ученых. Интересно, что тот факт, что мюоны достигают поверхности Земли, является следствием специальной теории относительности. Время жизни этих мюонов составляет около 2,2 мкс и они бы смогли пролететь только около 660 м. Но из-за их очень высокой скорости время жизни мюонов увеличивается и они успевают пролететь намного большее расстояние. Интенсивность вызванных космическими лучами вторичных частиц составляет около 1 частицы в минуту на 1 см 2 площади. Средняя энергия $mu$-лептонов (мюонов) на поверхности Земли составляет 3 ГэВ.

Проект CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets)
Когда космические лучи проникают в атмосферу Земли, мюоны ионизируют молекулы воды. Ионизация связана с изменением заряда молекул, что вызывает их взаимное притяжение. Молекулы воды конденсируются в облаках. В настоящее время CERN исследует гипотезу связи космических лучей со скоростью образования облаков (проект CLOUD) под руководством Джаспера Киркби (Jasper Kirkby):
Jasper Kirkby
Акроним «CLOUD» составлен Киркби из фразы «Cosmics Leaving OUtdoor Droplets» и в переводе на русский язык означает «Космические лучи оставляют после себя капельки под открытым небом».
Эксперимент проводится в камере из нержавеющей стали диаметром 3 м и объемом 26 м 3 :
проект CLOUD
Камера заполнена искусственным воздухом, созданным из жидких азота и кислорода. В эксперименте исследуется влияние ионизации на скорость образования аэрозольных частиц. Ионизация воздуха происходит из-за космических лучей и может быть усилена пучком высокоэнергетических частиц из CERN Proton Synchrotron и ослаблена сильным электрическим полем.

Детектор мюонов на счетчиках Гейгера
Для детектирования мюонов используются массив из двух или трех счетчиков Гейгера, расположенных друг над другом:
детектор мюонов
Счетчики должны быть хорошо экранированы от внешних ЭМ-помех и друг от друга, например, в детекторе Theremino между двумя счетчиками Гейгера, находящимися друг над другом на расстоянии около 1 см, расположены свинцовые пластины толщиной 1,2 мм — над и под счетчиками Гейгерами и между ними:
экраны детектора мюонов
Частица естественного земного излучения, попадая в один из счетчиков Гейгера, вызывает в нем разряд, но теряет при этом и энергию и уже не сможет вызвать разряд в другом счетчике. Но так как энергия мюонов очень высока, то они проходят через два или три счетчика, почти не теряя энергии и практически одновременно вызывая разряд в каждом из них.
схема детектора мюонов
детектор мюонов
Эта одновременность разрядов детектируется (coincidence detection) и является подтверждением того, что они вызваны мюонами (с вероятностью 99.999 %). В качестве примера такого детектора одновременности (Coincidence Detector или C-box, помечен на схеме как «&») ценой 20 € можно привести модуль для системы Theremino:
детектор мюонов
(для просмотра схемы в увеличенном масштабе щелкните по ней мышкой)
детектор мюонов
А вот комплекс из двух счетчиков Гейгера GM-10 и детектора одновременности (Black Cat Systems):
детектор мюонов
Следует отметить, что скорость счета мюонов очень низка и для счетчиков Гейгера с малой активной площадью может потребоваться час или даже больше времени для получения статистически значимых результатов. Скорость счета оказывается несколько ниже теоретической из-за ограниченного угла детектирования:
угод детектирования мюонов

Для детектора Theremino с площадью детектора 9 см 2 максимальная скорость счета составляет 5,4 CPM (импульса в минуту).
Также скорость счета зависит от угла наклона счетчиков — от максимума для вертикального расположения до нуля для горизонтального.

Hodoscope

В детекторе Hodoscope используется массив из 18 счетчиков Гейгера:

При попадании мюона происходит одновременный разряд в двух счетчиках Гейгера.

В качестве счетчика Гейгера в зарубежных изделиях часто используется трубка LND 712.

Детектор мюонов на неоновых лампах
Альтернативный способ детектирования мюонов основан на использовании в детекторе частиц ионизирующего излучения неоновой лампы. Схема детектора была предложена Peter Lay (на фото справа) (описана в статье Simple Geiger Detector uses neon Glow Lamp в Electronic Design 18 марта 2002 года):
детектор радиации на неоновой лампеPeter Lay
Переменное сетевое напряжение выпрямляется диодом D1 и стабилизируется стабилитроном D2 на уровне 100 В. Сопротивление балластного резистора R1 определяется выражением $R1 = <— 100>over<5 мА>>$ . Потенциометр R2 используется для установки напряжения на лампе немного ниже напряжения зажигания. Лампа при этом не горит. Но при попадании радиоактивной частицы происходит зажигание лампы. При этом через лампу начинает протекать, который вызывает существенное падение напряжения на резисторе R3, и напряжение на лампе оказывается ниже напряжения поддержания разряда и разряд прекращается до попадания следующей ионизирующей частицы.

Читайте так же:
Счетчик посещений php куки

Эта схема была модифицирована Raghav Kunnawalkam Elayavalli (на фото справа) (описана в работе Looking at Cosmic Muons to verify Einstein’s Special Relativity). Я изобразил модифицированную. схему в соответствии с отечественными стандартами условных графических обозначений:
детектор мюонов на неоновой лампеRaghav Kunnawalkam Elayavalli
Авторская схема рассчитана на подключение к североамериканской электросети напряжением 120 В. Параметры элементов в модифицированной схеме — R1 = 25 кОм, C1 = 1900 м(к?)Ф и 47 м(к?)Ф параллельно, R2 = 80 кОм, R3 = потенциометр 25 кОм, R4 = 75 кОм, R5 = 3 МОм, R6 = 100 кОм, HL1 = неоновая лампа, D1 = диод 1N4004, D2 = стабилитрон на 100 В.

детектор мюонов на флуоресцентных лампах

Детектор мюонов на флуоресцентных лампах
В детекторе мюонов можно использовать и обычные бытовые флуоресцентные лампы («лампы дневного света»). Они собираются в массив:

Пример схемы детектора мюонов приведен ниже:

детектор мюонов

Детектор мюонов на CMOS- или CCD- сенсорах (наприимер, цифровых фотокамерах)

Для детектирования частиц космических лучей можно использовать и цифровые фото- или вебкамеры. Подробнее о моих экспериментах в этой области смотрите здесь.

Детектор мюонов на pin-диодах

Также в качестве датчика можно использовать p-i-n (PIN) диоды, например, популярный BPW34.
Примером такого проекта может служить uTelescope.

Счетчики радиоактивных частиц их при

6.5.6.1. Радиометрия радиоактивных газов

Измерение концентраций радиоактивных газов (таких как аргон, криптон, ксенон, радон, тритий и др.) основано на счете отдельных b -частиц или фотонов или на измерении ионизационного тока, создаваемого этими частицами. При использовании газоразрядных счетчиков радиоактивный газ можно вводить непосредственно в счетчик, или счетчик частично или полностью погружать в исследуемый газ.

В счетчиках внутреннего наполнения регистрируется каждый акт распада, сопровождающийся испусканием заряженной частицы.

Для радиометрии b -активных газов широко используется складывающийся цилиндрический пробоотборник (например, в аэрозольно-газовом радиометре РВ-4) с торцевым счетчиком, расположенным в центре основания цилиндра. Боковые стенки цилиндра выполнены из полиэтиленовой пленки, натянутой на фиксирующие стальные кольца. Исследуемые пробы воздуха засасываются в пробоотборник через аэрозольный фильтр в верхнем основании. Концентрация с газа в камере определяется по формуле

где k — коэффициент, зависящий от выбора единиц; N b — скорость счета b -частиц; h — градуировочный коэффициент, зависящий от граничной энергии b -частиц Е b , толщины входного окна торцевого счетчика и размеров объема с газом (табл. 6.5.2); S — рабочая площадь входного окна счетчика; V — объем камеры.

Активность газов в воздухе можно определить с помощью ионизационной камеры с «воздушными» стенками. Такая камера состоит из двух изолированных коаксиальных цилиндров, изготовленных из металлической сетки. Камеры предназначены для измерения концентраций b -активных газов с небольшим пробегом b -частиц. При помещении камеры в b -активный воздух в ней возникает ионизационный ток i, по которому определяется концентрация:

где d — градуировочный коэффициент; с — концентрация газа, Бк/л; V — измерительный объем камеры, л; — средняя энергия b -спектра, МэВ; e — средняя энергия ионообразования, равная 33,5 × 10 — 6 МэВ.

Серийно выпускаемыми приборами можно измерять токи около 5 × 10 –13 А, поэтому минимально контролируемая концентрация трития в воздухе с помощью сетчатой камеры объемом 20 л составляет 1 × 10 6 Бк/м 3 [17], что гораздо больше ДОА (см. табл. 6.5.3).

Для измерения концентрации 3 H на уровне 18–1,8 × 10 3 Бк/м 3 используют жидкие сцинтилляторы, в которые вводят отобранные из воздуха различными способами пробы трития.

Сложность определения иода связана с различием в формах парообразных фракций — элементарный иод, в виде органических соединений (например, СН3I) и иодидов (IBr, UI2), — каждая из которых обладает разной способностью улавливаться на активированном угле и не позволяет применять какой-либо один фильтр.

Градуировочный коэффициент ( h × 10 — 4 имп./(распад × см 3 ))
для газонаполненного цилиндра при толщине входного окна
торцевого счетчика 5 мг/см 2 [17]

Так ли страшна радиация: все, что нужно знать об излучении

Так ли страшна радиация: все, что нужно знать об&nbsp;излучении

Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Заряженное оружие

Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.

Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.

Читайте так же:
Счетчик гейгера рабочее вещество

Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.

Нейтральная опасность

Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).

Доза и мощность

При измерении и оценке радиации используется такое количество различных понятий и единиц, что обычному человеку немудрено и запутаться.
Экспозиционная доза пропорциональна количеству ионов, которые создает гамма- и рентгеновское излучения в единице массы воздуха. Ее принято измерять в рентгенах (Р).
Поглощенная доза показывает количество энергии излучения, поглощенное единицей массы вещества. Ранее ее измеряли в радах (рад), а сейчас – в греях (Гр).

Эквивалентная доза дополнительно учитывает разницу в разрушительной способности разных типов радиации. Ранее её измеряли в «биологических эквивалентах рада» — бэрах (бэр), а сейчас – в зивертах (Зв).
Эффективная доза учитывает ещё и различную чувствительность разных органов к радиации: например, облучать руку куда менее опасно, чем спину или грудь. Ранее измерялась в тех же бэрах, сейчас — в зивертах.

Перевод одних единиц измерения в другие не всегда корректен, но в среднем принято считать, что экспозиционная доза гамма-излучения в 1 Р принесёт организму такой же вред, как эквивалентная доза 1/114 Зв. Перевод рад в греи и бэров в зиверты очень прост: 1 Гр = 100 рад, 1 Зв = 100 бэр. Для перевода поглощённой дозы в эквивалентную используют т.н. «коэффициент качества излучения», равный 1 для гамма- и бета-излучения, 20 для альфа-излучения и 10 для быстрых нейтронов. Например, 1 Гр быстрых нейтронов = 10 Зв = 1000 бэр.

Природная мощность эквивалентной дозы (МЭД) внешнего облучения обычно составляет 0,06 – 0,10 мкЗв/ч, но в некоторых местах может быть и менее 0,02 мкЗв/ч или более 0,30 мкЗв/ч. Уровень более 1,2 мкЗв/ч в России официально считается опасным, хотя в салоне самолёта во время перелёта МЭД может многократно превышать это значение. А экипаж МКС подвергается облучению с мощностью примерно 40 мкЗв/ч.

В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).

Газоразрядные счетчики

Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.

Сфера из плутония-238 светится в темноте, подобно одноваттной лампочке. Плутоний токсичен, радиоактивен и невероятно тяжел: один килограмм этого вещества умещается в кубике со стороной 4 см.

Радиация не всегда страшна: что нужно знать об излучении

Радиация не&nbsp;всегда страшна: что нужно знать об&nbsp;излучении

Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Заряженное оружие

Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.

Читайте так же:
До дембеля осталось счетчик дни

Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.

Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.

Нейтральная опасность

Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).

widget-interest

При измерении и оценке радиации используется такое количество различных понятий и единиц, что обычному человеку немудрено и запутаться.
Экспозиционная доза пропорциональна количеству ионов, которые создает гамма- и рентгеновское излучения в единице массы воздуха. Ее принято измерять в рентгенах (Р).
Поглощенная доза показывает количество энергии излучения, поглощенное единицей массы вещества. Ранее ее измеряли в радах (рад), а сейчас – в греях (Гр).
Эквивалентная доза дополнительно учитывает разницу в разрушительной способности разных типов радиации. Ранее её измеряли в «биологических эквивалентах рада» — бэрах (бэр), а сейчас – в зивертах (Зв).
Эффективная доза учитывает ещё и различную чувствительность разных органов к радиации: например, облучать руку куда менее опасно, чем спину или грудь. Ранее измерялась в тех же бэрах, сейчас — в зивертах.
Перевод одних единиц измерения в другие не всегда корректен, но в среднем принято считать, что экспозиционная доза гамма-излучения в 1 Р принесёт организму такой же вред, как эквивалентная доза 1/114 Зв. Перевод рад в греи и бэров в зиверты очень прост: 1 Гр = 100 рад, 1 Зв = 100 бэр. Для перевода поглощённой дозы в эквивалентную используют т.н. «коэффициент качества излучения», равный 1 для гамма- и бета-излучения, 20 для альфа-излучения и 10 для быстрых нейтронов. Например, 1 Гр быстрых нейтронов = 10 Зв = 1000 бэр.
Природная мощность эквивалентной дозы (МЭД) внешнего облучения обычно составляет 0,06 – 0,10 мкЗв/ч, но в некоторых местах может быть и менее 0,02 мкЗв/ч или более 0,30 мкЗв/ч. Уровень более 1,2 мкЗв/ч в России официально считается опасным, хотя в салоне самолёта во время перелёта МЭД может многократно превышать это значение. А экипаж МКС подвергается облучению с мощностью примерно 40 мкЗв/ч.

В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).

Газоразрядные счетчики

Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.

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.

Читайте так же:
Если у меня украли счетчик со столба

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.

Читайте так же:
Какую компанию выбрать для замены счетчиков

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector