1.10._Источники и методы регистрации частиц

1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
1
1.10. Источники и методы регистрации частиц
1.10.1. Источники заряженных частиц. Ускорители. Источники γ-квантов.
Источники нейтронов.
Способом исследования ядер и элементарных частиц является изучение
распадов ядер и частиц, осуществление столкновений частиц и ядер с
последующей регистрацией вылетающих частиц. Для столкновений
необходимо:
1. Создавать пучки частиц высоких энергий.
2. Приготовлять мишени с ядрами или частицами.
3. Регистрировать требуемые характеристики частиц.
Мишени состоят из ядер и частиц, которые достаточно долго живут и
входят в состав макротел. Чисто нейтронных мишеней нет. Мишени бывают
твердые, жидкие и газообразные. Например, газовая струя тоже мишень.
Источники заряженных частиц
К источникам элементарных частиц и ядер относятся
- Естественные радиоактивные препараты – источники α-частиц, β-частиц,
электронов, позитронов, γ-квантов. нейтронов.
- Ускорители – источники заряженных частиц и ядер.
- Ядерные реакторы – мощные источники нейтронов и γ-квантов
- Космические лучи.
Радиоактивные источники . Исторически первыми источниками
альфа-. бета-частиц и гамма-лучей с энергиями до нескольких МэВ были
радиоактивные препараты, содержащие естественные радиоактивные ядра.
Радиоактивные препараты дают частицы с энергиями, как правило, ниже
энергий большинства ядерных реакций. Они используются для исследования
самого явления радиоактивности и для прикладных целей. Характеристики
радионуклидов как излучателей приведены в таблицах.
Ускорители заряженных частиц
Ускорители – установки для получения заряженных частиц (электронов,
протонов, ионов, атомных ядер) в виде пучка частиц высоких, средних и
низких энергий. Частицы движутся в вакуумной камере. Ускорение частиц
производится электрическим полем. Управление движением, формированием
пучка и траектории – магнитным полем. В настоящее время ускорители
являются единственными источниками заряженных частиц, которые
используются для осуществления ядерных реакций и реакций с
элементарными частицами. По типу ускоряемых частиц ускорители делятся
на два больших класса: электронные ускорители и протонные ускорители.
Ионных ускорителей значительно меньше.
Источники γ-квантов высоких энергий
Для получения пучка γ-квантов высокой энергии электронный пучок
направляют на тугоплавкую мишень, из которой вылетает пучок γ-квантов.
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
2
Это пучок γ-квантов тормозного излучения хорошо коллимирован и имеет
достаточную интенсивность. К сожалению, энергетический спектр
непрерывный от 0 до Еγмах. Мощным источником γ-квантов являются
ядерные реакторы. Большинство электронных ускорителей используются как
источники синхротронного γ-излучения.
Источники нейтронов
Во всех источниках нейтроны образуются в результате ядерных реакций.
Характеристики источников нейтронов:
- Интенсивность (число нейтронов в 1 сек).
- Энергетическое и угловое распределение (спектр).
- Степень поляризации нейтронов источника.
- Режим испускания (непрерывный или импульсный).
Радиоизотопные источники нейтронов. Пример: Смесь порошков
бериллия и α-активного нуклида. В реакции
образуются
с
энергией
Еα=5,305
МэB,
которые
в
реакции
 -частицы
+5,6 МэB выбивают нейтроны с энергией Еn от 0,5 МэB
до 10 МэB. Выход реакции 3.106 нейтрон/сек на 1 кюри полония (1 Kи =
3,7.1010 расп/ сек). Имеется высокий уровень сопровождающего γ-излучения.
Ускорительные источники нейтронов. Ядра дейтерия, ускоренные до
энергии 2 кэВ, бомбардируют мишень, содержащую тритий. В результате
реакции
образуются практически моноэнергетические
нейтроны с энергией Еn =14 МэВ. Выход нейтронов 107÷1013 нейтрон /сек.
Ядерные реакторы испускают 5.1016 нейтронов/сек на каждый мегаватт
мощности реактора. Средняя энергия нейтронов деления в реакторе ~ 2 МэВ.
В результате замедления нейтронов в конструкционных элементах и
замедлителе спектр нейтронов из реактора сильно обогащен тепловыми
нейтронами с энергией ~ 0,06 эВ.
Космические лучи
Уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, не доступных
современным ускорителям. являются космические лучи. Космические лучи –
это поток заряженных частиц высокой энергии, приходящих к Земле
изотропно со всех направлений космического пространства. Важной
особенностью космических лучей составляет нетепловое происхождение их
энергий, достигающих в максимуме 1011 ГэВ. Поток первичных космических
лучей, падающих на границу атмосферы, составляет ~ 1 частицу/см2сек.
Состав космических лучей: протоны ~90%, ядра гелия ~7%, ядра элементов
(10 < Z < 30) ~1%, электроны <1% с энергией 1 ГэВ и γ-кванты с
интенсивностью ~10 фотон/м2сек и энергией 50 МэВ. Солнечные
космические лучи в среднем имеют энергию < 400 МэВ и интенсивность при
вспышке на Солнце ~106 част/см2сек. Более подробно см. п.2.11.3.
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
3
1.10.2. Методы регистрации частиц. Детекторы. Трековые детекторы.
Ядерные фотоэмульсии. Пузырьковые камеры. Камера Вильсона.
Электронные детекторы. Счетчики заряженных частиц и  -квантов. Гаммаспектрометры и нейтронные детекторы
Детекторы
Детекторы – приборы для регистрации частиц. Действие детекторов
основано на различных процессах взаимодействия частиц с веществом.
Основные процессы, котороые вызываются заряженными частицами:
ионизация, возбуждение атомов и молекул, возбуждение черенковского
излучения, возбуждение переходного излучения релятивистской частицы при
переходе её через границы двух сред с различными диэлектрическими
проницаемостями 1 и  2 .
Нейтральные частицы (нейтроны,  0 -мезоны,  -кванты и др.) образуют
вторичные заряженные частицы. Например,  -кванты образуют электроны в
фотоэффекте и Комптон-эффекте, или рождают электрон-позитронные пары.
Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным продуктам ядерных
реакций – ядрам, протонам, мезонам. Медленные нейтроны регистрируются
по  -излучению ядер, которые их захватывают.
Детекторы делятся на два класса – трековые и электронные. В трековых
детекторах прохождение заряженной частицы регистрируется в виде
пространственной картины следа (трека) этой частицы в веществе детектора.
Картина фотографируется или регистрируется электронными устройствами.
В электронных детекторах прохождение частицы вызывает появление
импульса электрического тока, который используется для регистрации и
управления различными процессами.
Основными характеристиками детекторов являются:
1. Эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании в
рабочий объем детектора). Эффективность – число зарегистрированных
частиц / полное число частиц, пролетевших через детектор.
2. Пространственное разрешение (точность локализации места прохождения
частицы), измеряется в см.
3. Временное разрешение – минимальное время между прохождением двух
частиц, которые регистрируются как отдельные события, измеряется в сек.
4. Мертвое время – интервал времени после регистрации частицы, в течение
которого детектор остается нечувствительным.
5. Разрешающая способность по энергии.
6. Уровень шумов.
Трековые детекторы
К трековым детекторам относятся ядерные фотоэмульсии, пузырьковые
камеры. искровые камеры, камера Вильсона. В ядерной фотоэмульсии
проходящая заряженная частица вызывает ионизацию солей серебра и
создает центры скрытого изображения. После проявления эмульсии трек
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
4
предстает в виде цепочки зерен металлического серебра. Размер зерен ~ 1
мкм. Пространственное разрешение черезвычайно высокое. Временное
разрешение отсутствует.
Пузырьковая камера наполняется прозрачной жидкостью, которая
переводится в перегретое состояние (но не кипит). Ионы, образующиеся
вдоль трека заряженной частицы – это центры, на которых растут пузырьки
пара. Пока пузырьки имеют размер  1 мм, их освещают импульсным
источником света и фотографируют. Камеру помещают в магнитное поле для
измерения знака импульса заряженной частицы. Камера обладает высоким
пространственным разрешением.
В искровой камере на некотором расстоянии друг от друга находятся
электроды в газе. В момент прохождения заряженной частицы через газ
подается высокая разность потенциалов ~ 5–10 кВ/см. По треку частицы в
газе возникает последовательность искр. Цепочки искр фотографируют.
Камера Вильсона – старейший прибор для наблюдения заряженных
частиц был изобретен в 1912 г. После адиабатического расширения в камере
возникает чистый перенасыщенный пар, который не конденсируется. При
прохождении заряженной частицы, вдоль её трека образуются ионы, которые
являются центрами конденсации капелек жидкости. Трек фотографируют в
магнитном поле. После сжатия поршнем происходит очистка камеры и
возврат в рабочее состояние. Так были открыты позитроны, мезоны,
гипероны. Недостатком является малая концентрации
газообразного
вешества камеры.
Электронные детекторы
Ионизационная камера содержит объем газа с размещенными в нем
двумя электродами, между которыми приложено напряжение. Заряженная
частица, проходя через газ, образует ионы и электроны, которые собираются
на электродах, при этом создается электрический ток во внешней цепи. К
достоинствам относится простота и надежность. Недостатком является
малый уровень сигнала.
Пропорциональный
счетчик – газоразрядный детектор частиц,
создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии
выделенной в его объеме регистрируемой частицей. Анод выполнен в форме
тонкой нити внутри катода – металлического полого цилиндра. При
постоянной разности потенциалов и постоянном составе газа, коэффициент
пропорциональности между первичной ионизацией и силой электрического
тока анода остается постоянным. Первичная ионизация газа электронами
усиливается в 103–105 раз за счет вторичной ионизации атомов газа
электронами, ускоренными в электрическом поле между анодом и катодом.
Счетчик Гейгера-Мюллера – детектор частиц, действие которого
основано на возникновении самостоятельного разряда в газе, находящемся
внутри счетчика, при попадании частиц в его объем. Конструктивно устроен
как пропорциональный счетчик. Достоинством является простота и
надежность. Недостатком является большое мертвое время.
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
5
Дрейфовая камера – прибор для определения координат прохождения
ионизирующей частицы. Измеряется время дрейфа электронов – продуктов
ионизации в газе от места прохождения частицы до сигнальной проволоки.
Камера разделена рядами параллельных проволок на прямоугольные ячейки
– дрейфовые промежутки. (см. рис. 1.21). На сигнальную проволоку (анод),
которая в центре проволочной ячейки, подается положительный потенциал
 U c . На проволоки, расположенные по верху и низу дрейфового промежутка,
подается отрицательный потенциал (  U g ), равномерно распределенный от 0
до  U g , создающий однородное электрическое поле вдоль дрейфового
промежутка. Сигнал прохождения частицы (стартовый сигнал) задается
внешним детектором. Сигнал окончания дрейфа вырабатывается
электронами, размножающимися в газе лавинным образом вблизи анода
(газовое усиление). Скорость дрейфа v dp определяется калибровочными
измерениями. Зная интервал времени t dp между стартовым и конечным
сигналами, определяют координату проходящей частицы x  vdp t dp .
Дрейфовая камера заключается в герметичную оболочку, которая
заполняется газовой смесью обычно аргоном Ar с примесью многоатомного
газа (изобутан, СО2). Размер проволочных ячеек обычно 1мм .
Пространственное разрешение небольших дрейфовых камер
~ 1м2
составляет ~ 0,1 мм.
В нейтринном эксперименте в ЦЕРНе использовались дрейфовые
камеры площадью 14 м2 для локализации мюонов с точностью до 1мм.
Дрейфовые камеры являются координатными детекторами. Они способны
регистрировать полную картину сложного многочастичного события,
подобно пузырьковой камере, и широко используются в экспериментах на
ускорителях для определения места прохождения, угла вылета, импульсов
заряженных частиц (по отклонению в магнитном поле).
Рис. 1.21. Схема дрейфовой камеры. Точки – проволочки в сечении. Черточки –
отрицательный заряд на проволочках
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
6
Сцинтилляционный счетчик – детектор ядерных частиц, основными
элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием
заряженных частиц, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Счетчик
состоит из сцинтиллятора, световода – фотоэлектронного умножителя,
дискриминатора, пересчетного устройства, регистратора.
Заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, ионизирует и
возбуждает атомы и молекулы. Возбужденные атомы и молекулы испускают
фотоны. Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны, которые,
пройдя через систему динодов, дают на аноде импульс электрического тока.
Сцинтилляторы характеризуются конверсионной эффективностью – долей
энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую
энергию. Параметры сцинтилляторов приведены в табл.1.10.
Параметры сцинтилляторов
Кристаллы Плотность, Время
г/см3
высвечивания,
10-9 сек
NaI(Tl)
3,67
250
ZnS(Ag)
4,09
11
Cs(Tl)
4,5
700
Длина волны
A  1010 м
4100
4500
5600
Таблица 1.10
Конверсионная
эффективность
η, %
6
10
2
Нейтронные детекторы – приборы для регистрации и определения
энергетического спектра нейтронов. Нейтроны не обладают электрическим
зарядом и не оставляют после себя следов (треков) из ионизированных
частиц. Поэтому нейтронные детекторы всегда содержат вещество,
называемое радиатором или конвертором, ядра которого при взаимодействии
с нейтронами порождают заряженные частицы или  -кванты. Нейтронные
детекторы используют: упругое рассеяние нейтронов на ядрах, ядерные
реакции с вылетом заряженных частиц, деление ядер под действием
нейтронов, радиационный захват нейтронов с вылетом  -квантов.
Нейтронные детекторы, использующие упругое рассеяние нейтронов на
ядрах
, – это пропорциональные счетчики с наполнением
водородом, метаном, гелием при давлении в несколько атмосфер. Их
эффективность мала  =10-2–10-4 при энергии нейтронов ~0.01–20 МэВ.
Для детектрирования нейтронов больших энергий используют
сцинтилляционные детекторы с органическими сцинтилляторами.
содержащими много водорода. в которых пробеги протонов отдачи велики
(больше 10 см).
В нейтронных детекторах обычно используют три ядерные реакции с
вылетом заряженных частиц (см. табл. 1.11).
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
Ядерные реакции в нейтронных детекторах
Реакция
Символ Сечение,
барн
n, p  5,33
940
n,
3837
n,
7
Таблица 1.11
Энергия заряженной
частицы, МэВ
0,764
4,785
2,791 7%
2,313 93%
Ядра
вводят внутрь газоразрядных счетчиков или
сцинтилляторов. Нейтронные детекторы с
при давлениях меньших 10
атм, имеют эффективность около 100% для тепловых нейтронов.
Нейтронные детекторы, использующие деление ядер под действием
нейтронов, – это камеры деления - ионизационные камеры, покрытые тонким
слоем делящихся веществ (урана и плутония). Сечение деления  f  580
, для
сечение  f  750 барн. Эффективность камер
деления низкая   0,1% , поэтому они используются для детектирования
интенсивных потоков нейтронов, в системах управления ядерными
реакторами.
Нейтронные детекторы, использующие радиационный захват нейтронов,
имеют радиатор, содержащий ядра с большим сечением реакции n,   ,
окруженный сцинтилляционными счетчиками для  -лучей. Радиационный
захват нейтронов стабильными ядрами при любых энергиях нейтронов
сопровождается мгновенным  -излучением. Нейтроны с энергией  10 кэВ
детектируются по мягким  -лучам с энергией E  478 кэВ в реакции
барн для
10
5
Bn, 73 Li для толстых радиаторов  ~1%. Для резонансных нейтронов
удобен нейтронный детектор с радиатором, содержащим смесь ядер
лантаноидов с большим сечением  n,   и с небольшим количеством воды
для замедления.
Гамма спектрометр – прибор для измерения энергии  -квантов и
интенсивности  -излучения. Основными характеристиками являются
разрешающая способность E / E , где E - ширина  -линии на
полувысоте. E – энергия регистрируемых моноэнергетических  -квантов,
эффективность= число зарегистрированных  -кваантов/общее число  квантов, попадающих в детектор.
Сцинтилляционный  -спектрометр – комбинация ФЭУ и сцинтиллятора.
Для  -квантов до 1 МэВ применяют сцинтиллятор из NaI(Tl) с разрешающей
способностью ~4–5% при энергии гамма-квантов ~ 1,3 МэВ.
Полупроводниковый  -спектрометр содержит монокристалл с p-n
переходом. С двух сторон на монокристалл наносятся металлические
электроды, на которые подается напряжение обратной полярности. Под
действием  -квантов создаются электронно-дырочные пары. С помощью
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц
8
приложенного электрического поля электроны и дырки выводятся из области
обедненного слоя. Возникающий в результате электрический импульс
обратного тока p-n перехода усиливается и регистрируется анализатором. На
образование одной пары электрон-дырка требуется 3 эВ, а в газах – 30 эВ,
поэтому при при той же потере энергии образуется в 10 раз больше
носителей и эффективность возрастает.
При энергии E =1,33 МэВ и ширине E  1,7  2 кэВ, эффективность
полупроводниковых детекторов ниже, чем у сцинтилляционных детекторов.