Можно ли с помощью камеры вильсона. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. Действие счетчика Гейгера основано на

Вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Это устройства для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц. Именно они дают необходимую информацию о событиях в микромире. Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью со взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием,- выстрел. Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется много различных методов регистрации частиц. В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам. Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсчета частиц. Счетчик (рис. 253) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, а-частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частипу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается. Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и у-квантов (фотонов большой энергии). Однако непосредственно у-кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого у-кванты выбивают электроны. Счетчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается у-квантов, то он регистрирует приблизительно только один у-квант из ста. Регистрация тяжелых частиц (например, а-час-тиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое окошког прозрачное для этих частиц. В настоящее время созданы счетчики, работающие на иных принципах, чем счетчик Гейгера. Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 254). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это неустойчивое состояние пара: пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек (рис. 255). Затем камера возвращается в исходное состояние и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима колеблется от нескольких секунд до десятков минут. Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - оценить ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле. Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека вычислить массу. Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глей-зером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми. В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 256). В качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1 с. Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц. Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром. Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мы-совским, А. П. Ждановым и др. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы (рис. 257). По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 1(Г3 см для а-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсий состоит в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами. Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирующих элементарные частицы. Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и очень маложивущих частиц очень сложны. В их сооружении принимают участие сотни людей. Э 1- Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы! 2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой 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.). В камере Вильсона (см. рис. 7.2) 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.

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.

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.

11 кл.

1 Вариант

1.Действие счетчика Гейгера основано на

А. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей Б.Ударной ионизации.

В. Выделении энергии частицей. Г.Образовании пара в перегретой жидкости.

Д.Конденсации перенасыщенных паров.

2. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на

образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется

А.Толстослойная фотоэмульсия. Б.Счетчик Гейгера. В. Фотокамера.

Г. Камера Вильсона. Д.Пузырьковая камера.

3. Для изучения радиоактивных излучений используется камера Вильсона. Ее действие основано на том, что при прохождении через нее быстрой заряженной частицы:
А.в газе появляется след из капель жидкости; Б. в газе появляется импульс электрического тока;
В. в пластине образуется скрытое изображение следа этой частицы;

Г.в жидкости появляется вспышка света.

4.Что представляет собой трек, образованный методом толстослойной фотоэмульсии?

А Цепочка капелек воды Б. Цепочка пузырьков пара

В.Лавина электронов Г. Цепочка зерен серебра

5.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

А.Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)

Б.Можно, если они имеют маленький импульс

В.Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)

Г.Можно, если они имеют большой импульс Д. Нельзя

6. Чем заполнена камера Вильсона

А.Парами воды или спирта. Б.Газом, обычно аргоном. В.Химическими реагентами

Г. Нагретым почти до кипения жидким водородом или пропаном

7. Радиоактивность –это...

А.Способность ядер самопроизвольно испускать частицы, превращаясь при этом в ядра других

химических элементов

Б. Способность ядер испускать частицы, превращаясь при этом в ядра других химических

элементов

В.Способность ядер самопроизвольно испускать частицы

Г. Способность ядер испускать частицы

8. Альфа - излучение – это

9. Гамма - излучение – это

А.Поток положительных частиц Б.Поток отрицательных частиц В. Поток нейтральных частиц

10. Что представляет собой бета - излучение?

11. При α–распаде ядро...

А.Превращается в ядро другого химического элемента, который находится на две клетки ближе к

началу таблицы Менделеева

Б.Превращается в ядро другого химического элемента, который находится на одну клетку дальше

от начала таблицы Менделеева

Г.Остаётся ядром того же самого элемента с уменьшенным на единицу массовым числом.

12. Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок больше 1 мм. Какие излучения он может зарегистрировать?

13. Во что превращается уран-238 после α - и двух β - распадов?

14. Какой элемент должен стоять вместо Х?

204 79 Au X + 0 -1 e

11 кл.

Тест «Методы регистрации элементарных частиц. Радиоактивность».

Вариант 2.

1. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на

конденсации перенасыщенного пара, называется

А.Фотокамера Б.Камера Вильсона В.Толстослойная фотоэмульсия

Г.Счетчик Гейгера Д. Пузырьковая камера

2.Прибор для регистрации ядерных излучений, в котором прохождение быстрой заряженной

частицы вызывает появление следа из капель жидкости в газе, называется

А. Счетчик Гейгера Б. Камера Вильсона В.Толстослойная фотоэмульсия

Г. Пузырьковая камера Д.Экран, покрытый сернистым цинком

3.В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений

прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического

тока в газе?

А.В счетчике Гейгера Б.В камере Вильсона В. В фотоэмульсии

Г. В сцинтилляционном счетчике.

4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на

А. Ударной ионизации. Б. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.

В.Образовании пара в перегретой жидкости. Г.Конденсации перенасыщенных паров.

Д. Выделении энергии частицей

5. Заряженная частица вызывает появление следа из пузырьков пара жидкости в

А.Счетчике Гейгера. Б.Камере Вильсона В. Фотоэмульсии.

Г. Сцинтилляционном счетчике. Д. Пузырьковой камере

6. Чем заполнена пузырьковая камера

А.Парами воды или спирта. Б. Газом, обычно аргоном. В. Химическими реагентами.

Г. Нагретым почти до кипения жидким водородом или пропаном.

7. Контейнер с радиоактивным веществом помещают в

магнитное поле, в результате чего пучок

радиоактивного излучения распадается на три

компоненты (см. рисунок). Компонента (3)

соответствует

А.Гамма-излучение Б. Альфа-излучение

В. Бета-излучение

8. Бета - излучение – это

А.Поток положительных частиц Б.Поток отрицательных частиц В. Поток нейтральных частиц

9. Что представляет собой альфа излучение?

А. Поток ядер гелия Б. Поток протонов В.. Поток электронов

Г. Электромагнитные волны большой частоты

10. Что представляет собой гамма - излучение?

А. Поток ядер гелия Б. Поток протонов В.. Поток электронов

Г. Электромагнитные волны большой частоты

11. При β–распаде ядро...

А.Превращается в ядро другого химического элемента, который находится на одну клетку дальше

от начала таблицы Менделеева

Б.Превращается в ядро другого химического элемента, который находится на две клетки ближе к

началу таблицы Менделеева

В.Остаётся ядром того же самого элемента с тем же массовым числом

Г.Остаётся ядром того же самого элемента с уменьшенным на единицу массовым числом

12 Какое из трех типов излучений обладает наибольшей проникающей способностью?

А.Гамма-излучение Б. Альфа-излучение В. Бета-излучение

13. Ядро, какого химического элемента является продуктом одного альфа-распада

и двух бета-распадов ядра данного элемента 214 90 Th ?

14.Какой элемент должен стоять вместо X ?

ВСЕ УРОКИ ФИЗИКИ 11 класс
АКАДЕМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

2-й семестр

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 11/88

Тема. Методы регистрации ионизирующего излучения

Цель урока: ознакомить учащихся с современными методами обнаружения и исследования заряженных частиц.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний		1. Период полураспада. 2. Закон радиоактивного распада. 3. Связь постоянной полураспада с интенсивностью радиоактивного излучения.
Демонстрации		2. Наблюдение треков частиц в камере Вильсона. 3. Фотографии треков заряженных частиц в пузырьковой камере.
Изучение нового материала		1. Строение и принцип действия счетчика Гейгера-Мюллера. 2. Ионизационная камера. 3. Камера Вильсона. 4. Пузырьковая камера. 5. Метод толстослойных фотоэмульсии.
Закрепление изученного материала		1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Все современные регистрации ядерных частиц и излучений можно разбить на две группы:

а) вычислительные методы, основанные на использовании приборов, считают число частиц того или иного типа;

б) трековые методы, позволяющие воссоздать следует частицы. Счетчик Гейгера-Мюллера - один из важнейших приборов для автоматического счета частиц. Действие счетчика основана на ударной ионизации. Заряженная частица пролетает в газе, отрывая от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ионизация. Счетчик Гейгера-Мюллера применяют в основном для регистрации электронов и γ-излучений.

Такая камера позволяет измерять дозы ионизирующего излучения. Обычно это цилиндрический конденсатор, между обкладками которого находится газ. Между обкладками прикладывают высокое напряжение. При отсутствии ионизирующего излучения ток практически отсутствует, а в случае облучения газа в нем появляются свободные заряженные частицы (электроны и ионы) и протекает слабый ток. Этот слабый ток усиливают и измеряют. Сила тока характеризует ионизирующую действие излучения (γ-кванты).

Гораздо большие возможности для изучения микромира дает создана 1912 г. камера Вильсона. В этой камере быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать.

Действие камеры Вильсона основано на конденсации пересыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Капельки образуют видимый след частицы, что пролетела - трек.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно полнее той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивают ее скорость.

Российские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцин предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле. Магнитное поле действует на заряженную движущуюся частицу с определенной силой. Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. За кривиною трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе.

Обычно треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют.

в 1952 г. американский ученый Д. Глейзер предложил использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В этой жидкости на ионах, образующихся во время движения быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, которые дают видимый трек. Камеры такого типа были названы пузырьковые.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлена большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий «застревают» в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и обусловленные ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наиболее дешевым методом регистрации частиц и излучений являются фото-эмульсионный. Он базируется на том, что заряженная частица, двигаясь в фотоэмульсии, разрушает молекулы бромистого серебра в тех зернах, сквозь которые она прошла. Во время проявки в кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона?

Второй уровень

1. Почему не регистрируются альфа-частиц с помощью счетчика Гейгера-Мюллера?

2. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Как с помощью камеры Вильсона можно определить природу частицы, которая пролетела в камере, ее энергию, скорость?

2. С какой целью камеру Вильсона иногда перегораживают слоем свинца?

3. Где больше длина свободного пробега -частицы: у поверхности Земли или в верхних слоях атмосферы?

1. На рисунке показан трек -частицы, движущейся в однородном магнитном поле с магнитной индукцией 100 мТл, напрямленому перпендикулярно к плоскости рисунка. Расстояние между линиями сетки на рисунке равен 1 см. Какова скорость частицы?

2. Показанная на рисунке фотография получена в камере Вильсона, наполненной водяным паром. Какая частица могла пролететь через камеру Вильсона? Стрелкой показано направление начальной скорости частицы.

2. Сб.: № 17.49; 17.77; 17.78; 17.79; 17.80.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 14.

ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 14 «АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ. РАДИОАКТИВНОСТЬ»

Произошел -распад радия 226 88 Ra

А Число протонов в ядре уменьшилось на 1.

Бы Образовалось ядро с атомным номером 90.

В Образовалось ядро с массовым числом 224.

Г Образовалось ядро атома другого химического элемента.

Для регистрации заряженных частиц используют камеру Вильсона.

А Камера Вильсона позволяет определить только количество частиц, пролетевших.

Бы С помощью камеры Вильсона можно регистрировать нейтроны.

В Заряженная частица, пролетела через камеру Вильсона, вызывает кипение перегретой жидкости.

Г Поместив камеру Вильсона в магнитное поле, можно определить знак заряда частиц, пролетающих.

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическая пара). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

А Протон.

Бы Нейтрон.

В Изотопы.

Г Альфа-частица.

1 Нейтральная частица, образованная одним протоном и одним нейтроном.

2 Положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами. Идентична ядру атома Гелия

3 Частица, не имеющая электрического заряда и имеет массу 1,67 · 10-27 кг.

4 Частица с положительным зарядом, равен по модулю заряду электрона и массой 1,67 · 10-27 кг.

5 Ядра с одинаковым электрическим зарядом, но разной массы.

Какой изотоп образуется из урана 23992 U после двух β-распадов и одного -распада? Запишите уравнение реакции.

Методы регистрации и Детекторы частиц

§ Калориметрический (по выделяемой энергии)

§ Фотоэмульсионные

§ Пузырьковые и искровые камеры

§ Сцинтилляционные детекторы

§ Полупроводниковые детекторы

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности, открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света. Черенковское излучение впервые наблюдалось визуально. Первая пузырьковая камера, в которой Глезер наблюдал треки -частиц была величиной с наперсток. Источником частиц высоких энергий в то время были космические лучи - частицы, образующиеся в мировом пространстве. В космических лучах впервые наблюдались новые элементарные частицы. 1932 год - открыт позитрон (К. Андерсон), 1937 год - открыт мюон (К. Андерсон, С. Недермейер), 1947 год - открыт -мезон (Пауэл), 1947 год - обнаружены странные частицы (Дж. Рочестер, К. Батлер).

Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения её энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

Обычно в экспериментах по физике ядра и частиц необходимо выделять "нужные" события на гигантском фоне "ненужных" событий, может быть одно из миллиарда. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, используют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т.п. Часто используется селекция частиц по их времени пролёта определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Незаряженные частицы (-кванты, нейтроны, нейтрино) детектируются по вторичным заряженным частицам, возникающим в результате их взаимодействия с веществом детектора.

Нейтрино непосредственно не регистрируются детектором. Они уносят с собой определённую энергию и импульс. Недостачу энергии и импульса можно обнаружить, применяя закон сохранения энергии и импульса к другим зарегистрированным в результате реакции частицам.

Быстрораспадающиеся частицы регистрируются по их продуктам распада. Большое применение нашли детекторы, позволяющие непосредственно наблюдать траектории частиц. Так с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле были открыты позитрон, мюон и -мезоны, с помощью пузырьковой камеры - многие странные частицы, с помощью искровой камеры регистрировались нейтринные события и т.д.

1. Счётчик Гейгера . Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью.

При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Пропорциональный счетчик. Пропорциональный счетчик имеет такую же конструкцию, как и счётчик Гейгера. Однако за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси в пропорциональном счетчике при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в 10 3 - 10 6 раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.

3. Ионизационная камера. Так же как в счетчике Гейгера и пропорциональном счетчике в ионизационной камере используется газовая смесь. Однако, по сравнению с пропорциональным счетчиком напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит. В зависимости от требований эксперимента для измерения энергии частиц используется либо только электронная компонента токового импульса, либо электронная и ионная.

4. Полупроводниковый детектор . Устройство полупроводникового детектора, которые обычно изготовляются из кремния или германия, аналогично устройству ионизационной камеры. Роль газа в полупроводниковом детекторе играет определенным образом созданная чувствительная область, в которой в обычном состоянии 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 приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию об количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. И, если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы. Полупроводниковые детекторы обладают высоким энергетическим разрешением.

Число пар ионов nион в полупроводниковом счётчике определяется формулой N ион = E/W,

где E - кинетическая энергия частицы, W - энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Для германия и кремния W ~ 3-4 эВ и равна энергии необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Малая величина W определяет высокое разрешение полупроводниковых детекторов, по сравнению с другими детекторами, в которых энергия первичной частицы тратится на ионизацию (Еион >> W).

5. Камера Вильсона. Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

6. Пузырьковая камера. Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

7. Ядерные эмульсии. Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.

8. Искровая камера. Искровая камера состоит нескольких плоских искровых промежутков, объединённых в одном объёме. После прохождения заряженной частицы через искровую камеру на её электроды подаётся короткий высоковольтный импульс напряжения. В результате вдоль трека образуется видимый искровой канал. Искровая камера, помещённая в магнитное поле, позволяет не только детектировать направление движения частицы, но и по искривлению траектории определять тип частицы и её импульс. Размеры электродов искровых камер могут доходить до нескольких метров.

9. Стриммерная камера. Это аналог искровой камеры, с большим межэлектродным расстоянием ~0.5 м. Длительность высоковольтного разряда подаваемого на искровые промежутки составляет ~10 -8 с. Поэтому образуется не искровой пробой, а отдельные короткие светящиеся световые каналы - стриммеры. В стриммерной камере можно регистрировать одновременно несколько заряженных частиц.

10. Пропорциональная камера. Пропорциональная камера обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму и в каком-то смысле является аналогом многоэлектродного пропорционального счетчика. Высоковольтные проволочные электроды отстоят друг от друга на расстоянии нескольких мм. Заряженные частицы, проходя через систему электродов, создают на проволочках импульс тока длительностью ~10 -7 с. Регистрируя эти импульсы с отдельных проволочек можно с точностью до нескольких микрон восстановить траекторию частиц. Разрешающее время пропорциональной камеры составляет несколько микросекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры ~5-10%.

11. Дрейфовая камера. Это аналог пропорциональной камеры, позволяющий с ещё большей точностью восстановить траекторию частиц.

Искровая, стриммерная, пропорциональная и дрейфовая камеры обладая многими преимуществами пузырьковых камер, позволяют запускать их от интересующего события, используя их на совпадения со сцинтилляционными детекторами.

12. Сцинтилляционный детектор. Сцинтилляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтилляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, NaI, BGO, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие - для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

13. Калориметры. Калориметры представляют собой чередующиеся слои вещества, в котором тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои железа и свинца) и детекторы, в качестве которых используют искровые и пропорциональные камеры или слои сцинтиляторов. Ионизирующая частица высокой энергии (E > 1010 эВ), проходя через калориметр, создаёт большое число вторичных частиц, которые, взаимодействуя с веществом калориметра, в свою очередь создают вторичные частицы - образуют ливень частиц в направлении движения первичной частицы. Измеряя ионизацию в искровых или пропорциональных камерах или световой выход сцинтиляторов, можно определить энергию и тип частицы.

14. Черенковский счётчик. Работа черенковского счётчика основана на регистрации излучения Черенкова - Вавилова, возникающего при движении частицы в среде со скоростью v превышающей скорость распространения света в среде (v > c/n). Свет черенковского излучения направлен вперёд под углом по направлению движения частицы.

Световое излучение регистрируется с помощью фотоумножителя. При помощи черенковского счётчика можно определить скорость частицы и отобрать частицы по скоростям.

Самым большим водяным детектором, в котором частицы детектируются с помощью черенковского излучения, является детектор Суперкамиоканде (Япония). Детектор имеет цилиндрическую форму. Диаметр рабочего объёма детектора 39.3 м., высота 41.4 м. Масса детектора составляет 50 ктонн, рабочий объём для регистрации солнечных нейтрино 22 ктонн. Детектор Суперкамиоканде имеет 11000 фотоумножителей, которые просматривают ~40% поверхности детектора.