Rivelatori di particelle elementari. Principi fisici di rivelazione delle particelle elementari

Pollice. XXIII abbiamo conosciuto gli strumenti utilizzati per rilevare le microparticelle: una camera a nebbia, un contatore a scintillazione, un contatore a scarica di gas. Questi rilevatori, sebbene utilizzati nella ricerca particelle elementari, tuttavia, non sono sempre convenienti. Il fatto è che i processi di interazione più interessanti, accompagnati da trasformazioni reciproche di particelle elementari, si verificano molto raramente. Una particella deve incontrare molti nucleoni o elettroni sul suo percorso affinché avvenga una collisione interessante. In pratica deve percorrere un percorso nella materia densa misurato in decine di centimetri - metri (in tale percorso una particella carica con un'energia di miliardi di elettronvolt perde solo parte della sua energia per ionizzazione).

Tuttavia, in una camera a nebbia o in un contatore a scarica di gas, lo strato sensibile (in termini di materia densa) è estremamente sottile. A questo proposito, sono entrati in uso altri metodi di rilevamento delle particelle.

Il metodo fotografico si è rivelato molto fruttuoso. Nelle speciali emulsioni fotografiche a grana fine, ogni particella carica che attraversa l'emulsione lascia una traccia che, dopo aver sviluppato la lastra, viene rilevata al microscopio sotto forma di una catena di grani neri. Dalla natura della traccia lasciata da una particella in un'emulsione fotografica, è possibile determinare la natura di questa particella: la sua carica, massa ed energia. Il metodo fotografico è conveniente non solo perché si possono usare sostanze spesse, ma anche perché in una lastra fotografica, a differenza di una camera a nebbia, le tracce di particelle cariche non scompaiono subito dopo il passaggio della particella. Quando si studiano eventi rari, le piastre possono essere esposte a lungo; questo è particolarmente utile nella ricerca sui raggi cosmici. Esempi di eventi rari catturati nell'emulsione fotografica sono mostrati sopra in Fig. 414, 415; Il riso è particolarmente interessante. 418.

Un altro metodo notevole si basa sull'uso delle proprietà dei liquidi surriscaldati (vedi Volume I, § 299). Quando si riscalda un liquido molto puro a una temperatura anche leggermente temperatura più elevata bollendo, il liquido non bolle, poiché la tensione superficiale impedisce la formazione di bolle di vapore. Il fisico americano Donald Glaser (nato nel 1926) notò nel 1952 che un liquido surriscaldato bolle istantaneamente sotto un'irradiazione sufficientemente intensa; l'energia aggiuntiva rilasciata nelle tracce di elettroni veloci create nel liquido dalla radiazione fornisce le condizioni per la formazione di bolle.

Sulla base di questo fenomeno, Glaser ha sviluppato la cosiddetta camera a bolle liquide. Liquido a ipertensione si riscalda fino a una temperatura vicina ma inferiore al punto di ebollizione. Quindi la pressione, e con essa il punto di ebollizione, diminuisce e il liquido si surriscalda. Lungo la traiettoria di una particella carica che attraversa il liquido in questo momento, si forma una scia di bolle di vapore. Con un'illuminazione adeguata può essere catturato da una fotocamera. Di norma, le camere a bolle sono posizionate tra i poli di un forte elettromagnete; il campo magnetico piega le traiettorie delle particelle; Misurando la lunghezza della traccia di una particella, il suo raggio di curvatura e la densità delle bolle, è possibile determinare le caratteristiche della particella. Le camere a bolle hanno ormai raggiunto un elevato grado di perfezione; Ad esempio, funzionano camere riempite con idrogeno liquido con un volume sensibile di diversi metri cubi. Esempi di fotografie di tracce di particelle in una camera a bolle sono mostrati in Fig. 416, 417, 419, 420.

Riso. 418. Trasformazioni di particelle registrate in una pila di emulsioni fotografiche irradiate da raggi cosmici. A quel punto, un’invisibile particella neutra veloce causò la scissione di uno dei nuclei dell’emulsione e formò dei mesoni (una “stella” di 21 tracce). Uno dei mesoni, il mesone -, dopo aver percorso il percorso (l'immagine mostra solo l'inizio e la fine della traccia; con l'ingrandimento utilizzato nella fotografia, la lunghezza dell'intera traccia sarebbe ), si fermò in un punto e decaduto secondo lo schema . -mesone, la cui traccia è diretta verso il basso, è stato catturato in quel punto dal nucleo, provocandone la scissione. Uno dei frammenti di fissione era un nucleo che, attraverso il decadimento, si trasformò in un nucleo che si disintegrò istantaneamente in due particelle che volavano in direzioni opposte - nella foto formano un "martello". Il mesone -, dopo essersi fermato, si è trasformato in un -muone (e neutrino) (punto). La fine della traccia -muonica è mostrata nell'angolo in alto a destra della figura; è visibile una traccia di un positrone formatosi durante il decadimento.

Riso. 419. Formazione e decadimento degli -iperoni. La reazione è stata registrata in una camera a bolle di idrogeno posta in un campo magnetico e irradiata con antiprotoni . Si è verificato alla fine del percorso (vedi diagramma nella parte superiore della figura). Gli iperoni lambda e anti-lambda neutri, dopo aver volato per una breve distanza senza formare traccia, decadono secondo gli schemi. L'antiprotone si annichila con il protone, formando due e due mesoni quantistici sul protone; il protone non lascia traccia visibile, poiché a causa della sua grande massa non riceve energia sufficiente quando interagisce con il quanto -

Come in qualsiasi esperimento fisico, quando studi le particelle elementari, hai prima bisogno Mettere sperimentare e poi registro i suoi risultati. Un acceleratore è coinvolto nell'impostazione di un esperimento (collisione di particelle) e i risultati delle collisioni vengono studiati utilizzando rilevatori di particelle.

Per ricostruire il quadro della collisione, è necessario non solo scoprire quali particelle sono nate, ma anche misurare con grande precisione le loro caratteristiche, principalmente traiettoria, quantità di moto ed energia. Tutto questo viene misurato utilizzando diversi tipi di rilevatori che circondano il luogo della collisione in strati concentrici.

I rilevatori di particelle possono essere divisi in due gruppi: rilevatori di tracce, che misurano la traiettoria delle particelle, e calorimetri, che misurano le loro energie. I rilevatori di tracce cercano di seguire il movimento delle particelle senza introdurre alcuna distorsione. I calorimetri, invece, devono assorbire completamente una particella per misurarne l'energia. Il risultato è un layout standard di un moderno rilevatore: diversi strati di rilevatori di tracce si trovano all'interno e diversi strati di calorimetri si trovano all'esterno, oltre a speciali rivelatori di muoni. Vista generale Un tipico rilevatore moderno è mostrato in Fig. 1.

Di seguito descriviamo brevemente la struttura e il principio di funzionamento dei principali componenti dei moderni rilevatori. L'accento è posto su alcuni dei principi più generali di rilevamento. Per rivelatori specifici che operano al Large Hadron Collider, vedere la pagina Rivelatori alla pagina LHC.

Rilevatori di tracce

I rilevatori di tracce ricostruiscono la traiettoria delle particelle. Di solito si trovano nella regione del campo magnetico e quindi dalla curvatura della traiettoria della particella è possibile determinare la sua quantità di moto.

Il funzionamento dei rilevatori di tracce si basa sul fatto che una particella carica volante crea una scia di ionizzazione, ovvero espelle gli elettroni dagli atomi lungo il percorso del suo movimento. In questo caso l'intensità della ionizzazione dipende sia dal tipo di particella che dal materiale del rivelatore. Gli elettroni liberi vengono raccolti dall'elettronica, il segnale da cui riporta le coordinate delle particelle.

Rilevatore di vertici

Vershinny(microvertice, pixel) rivelatoreè un rilevatore a semiconduttore multistrato costituito da singole piastre sottili su cui è applicata direttamente l'elettronica. Questo è lo strato più interno dei rilevatori: solitamente inizia immediatamente all'esterno del tubo a vuoto (a volte il primo strato è montato direttamente sulla parete esterna del tubo a vuoto) e occupa i primi centimetri in direzione radiale. Il silicio viene solitamente scelto come materiale semiconduttore per la sua elevata resistenza alle radiazioni (gli strati interni del rilevatore sono esposti a enormi dosi di radiazioni forti).

In sostanza, il rilevatore di vertici funziona allo stesso modo della matrice di una fotocamera digitale. Quando una particella carica vola attraverso questa piastra, lascia una traccia al suo interno: una nuvola di ionizzazione di diverse decine di micron. Questa ionizzazione viene rilevata da un elemento elettronico direttamente sotto il pixel. Avendo appreso le coordinate dei punti di intersezione di una particella con più lastre successive di un rilevatore di pixel, è possibile ricostruire le traiettorie tridimensionali delle particelle e rintracciarle nel tubo. Attraverso l'intersezione di tali traiettorie ricostruite in un certo punto dello spazio, il vertice- il punto in cui sono nate queste particelle.

A volte si scopre che esistono diversi vertici di questo tipo e uno di essi di solito si trova direttamente sull'asse di collisione dei raggi in arrivo (il vertice primario) e il secondo a distanza. Ciò di solito significa che i protoni si sono scontrati nel vertice primario e hanno immediatamente generato diverse particelle, ma alcune di esse sono riuscite a volare per una certa distanza prima di dividersi in particelle figlie.

Nei moderni rilevatori, la precisione della ricostruzione del vertice raggiunge i 10 micron. Ciò rende possibile registrare in modo affidabile casi in cui i vertici secondari si trovano a 100 micron di distanza dall'asse di collisione. È proprio a queste distanze che volano via vari adroni metastabili, contenenti un quark c o b (i cosiddetti adroni “incantati” e “adorabili”). Pertanto, il rilevatore di vertici è lo strumento più importante del rilevatore LHCb. compito principale che sarà lo studio di questi adroni.

I dispositivi a semiconduttore funzionano secondo un principio simile. rilevatori a microstriscia, in cui al posto di piccoli pixel vengono utilizzate strisce sottili ma piuttosto lunghe di materiale sensibile. In essi, la ionizzazione non si deposita immediatamente, ma si muove lungo la striscia e viene letta alla sua estremità. Le strisce sono progettate in modo tale che la velocità di spostamento della nuvola di carica lungo di essa sia costante e in modo che non si diffonda. Pertanto, conoscendo il momento in cui la carica arriva all'elemento di lettura, è possibile calcolare le coordinate del punto in cui la particella carica ha perforato la striscia. La risoluzione spaziale dei rilevatori a microstriscia è peggiore di quella dei rilevatori a pixel, ma possono coprire molto di più O un'area più ampia, poiché non ne richiedono così tanta gran numero elementi di lettura.

Telecamere alla deriva

Telecamere alla deriva- si tratta di camere riempite di gas che vengono poste all'esterno dei rilevatori di tracce a semiconduttore, dove il livello di radiazione è relativamente basso e la precisione nella determinazione delle coordinate non è richiesta così grande come con i rilevatori a semiconduttore.

Una classica camera a deriva è un tubo riempito di gas con molti fili molto sottili tesi al suo interno. Funziona come un rilevatore di vertici, ma non su una lastra piana, ma in un volume. Tutti i fili sono sotto tensione e la loro disposizione è scelta in modo tale da essere uniforme campo elettrico. Quando una particella carica vola attraverso una camera a gas, lascia una scia di ionizzazione spaziale. Sotto l'influenza di un campo elettrico, la ionizzazione (principalmente gli elettroni) si muove a velocità costante (i fisici dicono "derive") lungo le linee del campo verso i fili dell'anodo. Una volta raggiunto il bordo della camera, la ionizzazione viene immediatamente assorbita dall'elettronica, che trasmette un impulso di segnale all'uscita. Poiché gli elementi di lettura sono numerosi, utilizzando i segnali provenienti da essi è possibile ricostruire con buona precisione le coordinate della particella volante, e quindi la traiettoria.

Tipicamente, la quantità di ionizzazione creata in una camera a gas dal passaggio di una particella è piccola. Per aumentare l'affidabilità della raccolta e della registrazione della carica e ridurre l'errore nella sua misurazione, è necessario amplificare il segnale prima di registrarlo con l'elettronica. Questo viene fatto utilizzando una speciale rete di fili anodici e catodici tesi vicino all'apparecchiatura di lettura. Passando vicino al filo dell'anodo, una nuvola di elettroni genera su di esso una valanga, a seguito della quale il segnale elettronico viene amplificato molte volte.

Quanto più forte è il campo magnetico e quanto maggiore è la dimensione del rilevatore stesso, tanto più la traiettoria della particella si discosta da una linea retta, il che significa che con maggiore affidabilità è possibile misurare il suo raggio di curvatura e da lì è possibile ripristinare la quantità di moto della particella. Pertanto, per studiare reazioni con particelle di energie molto elevate, centinaia di GeV e TeV, è auspicabile costruire rivelatori più grandi e utilizzare campi magnetici più forti. Per ragioni puramente ingegneristiche, di solito è possibile aumentare solo una di queste quantità a scapito dell'altra. I due rivelatori più grandi dell'LHC - ATLAS e CMS - differiscono esattamente in quale di queste quantità è ottimizzata. Al rilevatore ATLAS dimensioni più grandi, ma un campo più piccolo, mentre si trova nel rilevatore CMS campo più forte, ma nel complesso è più compatto.

Fotocamera per la proiezione del tempo

Un tipo speciale di camera a deriva è la cosiddetta telecamera per la proiezione del tempo(VPK). In effetti, il complesso militare-industriale è una grande cella cilindrica di deriva di diversi metri di dimensione. Un campo elettrico uniforme viene creato in tutto il suo volume lungo l'asse del cilindro. L'intera scia vorticosa di ionizzazione lasciata dalle particelle quando volano attraverso questa camera si sposta uniformemente verso le estremità del cilindro, mantenendo la sua forma spaziale. Le traiettorie vengono, per così dire, “proiettate” sulle estremità della camera, dove una vasta gamma di elementi di lettura registrano l'arrivo di una carica. Le coordinate radiali e angolari sono determinate dal numero del sensore e la coordinata lungo l'asse del cilindro è determinata dal momento dell'arrivo del segnale. Grazie a ciò è possibile ripristinare un'immagine tridimensionale del movimento delle particelle.

Tra gli esperimenti operanti all'LHC, il rivelatore ALICE utilizza la telecamera a proiezione temporale.

Rivelatori di vasi romani

Esiste un tipo speciale di rilevatori di pixel a semiconduttore che funzionano direttamente all'interno del tubo del vuoto, in prossimità del raggio. Furono proposti per la prima volta negli anni '70 da un gruppo di ricerca di Roma e da allora prendono il nome Vasi romani(“Vasi romane”)

I rilevatori Roman Pots sono stati progettati per rilevare particelle che sono state deviate ad angoli molto piccoli durante le collisioni. I rilevatori convenzionali situati all'esterno del tubo a vuoto non sono adatti in questo caso semplicemente perché una particella emessa con un angolo molto piccolo può volare per molti chilometri all'interno del tubo a vuoto, girando insieme al raggio principale e senza uscire dall'esterno. Per registrare tali particelle è necessario posizionare piccoli rilevatori all'interno di un tubo a vuoto trasversalmente all'asse del fascio, ma senza toccare il fascio stesso.

Per fare ciò, in una certa sezione dell'anello dell'acceleratore, solitamente a una distanza di centinaia di metri dal punto di collisione dei raggi in arrivo, viene inserita una sezione speciale di un tubo a vuoto con “manicotti” trasversali. Contengono piccoli rilevatori di pixel, di diversi centimetri di dimensione, su piattaforme mobili. Quando la trave è appena iniettata è ancora instabile e presenta grandi vibrazioni trasversali. In questo momento, i rilevatori sono nascosti all'interno delle maniche per evitare danni derivanti da un colpo diretto del raggio. Dopo che il raggio si è stabilizzato, le piattaforme si estendono dai loro bracci e spostano le matrici sensibili dei rilevatori Roman Pots in prossimità del raggio, ad una distanza di 1-2 millimetri. Alla fine del successivo ciclo dell'acceleratore, prima di scartare il vecchio raggio e iniettarne uno nuovo, i rilevatori vengono ritirati nei bracci e attendono la successiva sessione operativa.

I rilevatori di pixel utilizzati nei Roman Pot differiscono dai rilevatori di vertice convenzionali in quanto massimizzano la proporzione della superficie del wafer occupata dagli elementi di rilevamento. In particolare, sul bordo della piastra più vicino al raggio non esiste praticamente alcuna zona “morta” insensibile ( "senza spigoli"-tecnologia).

Uno degli esperimenti al Large Hadron Collider, TOTEM, utilizzerà molti di questi rilevatori. Molti altri progetti simili sono in fase di sviluppo. Anche il rilevatore di vertice dell'esperimento LHCb contiene alcuni elementi di questa tecnologia.

Potete leggere di più su questi rivelatori nell'articolo Vasi romani per LHC della rivista CERN Courier o nella documentazione tecnica dell'esperimento TOTEM.

Calorimetri

I calorimetri misurano l'energia delle particelle elementari. Per fare ciò, uno spesso strato di una sostanza densa (di solito un metallo pesante: piombo, ferro, ottone) viene posizionato sul percorso delle particelle. Una particella al suo interno si scontra con elettroni o nuclei atomici e, di conseguenza, genera un flusso di particelle secondarie - doccia. L'energia della particella originale è distribuita tra tutte le particelle dello sciame, in modo che l'energia di ogni singola particella in questo sciame diventa piccola. Di conseguenza, la doccia rimane intrappolata nello spessore della sostanza, le sue particelle vengono assorbite e annientate e una certa frazione ben definita dell'energia viene rilasciata sotto forma di luce. Questo lampo di luce viene raccolto alle estremità del calorimetro da fotomoltiplicatori, che lo convertono in un impulso elettrico. Inoltre, l'energia di una doccia può essere misurata raccogliendo la ionizzazione con piastre sensibili.

Elettroni e fotoni, passando attraverso la materia, si scontrano principalmente con i gusci elettronici degli atomi e generano uno sciame elettromagnetico, un flusso di un gran numero di elettroni, positroni e fotoni. Tali docce si sviluppano rapidamente profondità ridotta e vengono solitamente assorbiti in uno strato di sostanza spesso diverse decine di centimetri. Gli adroni ad alta energia (protoni, neutroni, mesoni pi e mesoni K) perdono energia principalmente attraverso le collisioni con i nuclei. In questo caso si genera uno sciame di adroni, che penetra nello spessore della materia molto più in profondità di quello elettromagnetico, ed è anche più ampio. Pertanto, per assorbire completamente lo sciame di adroni di una particella ad altissima energia, sono necessari da uno a due metri di materia.

La differenza nelle caratteristiche degli sciami elettromagnetici e adronici viene sfruttata al massimo nei moderni rivelatori. I calorimetri sono spesso realizzati con due strati: all'interno ci sono calorimetri elettromagnetici, in cui vengono assorbiti prevalentemente gli acquazzoni elettromagnetici, e all'esterno - calorimetri adronici, che può essere raggiunto solo dagli sciami di adroni. Pertanto, i calorimetri non solo misurano l'energia, ma determinano anche il "tipo di energia", se è di origine elettromagnetica o adronica. Questo è molto importante per una corretta comprensione di ciò che è accaduto al centro del rilevatore di collisioni di protoni.

Per registrare otticamente uno sciame, il materiale del calorimetro deve avere proprietà di scintillazione. IN scintillatore I fotoni della stessa lunghezza d'onda vengono assorbiti in modo molto efficiente, portando all'eccitazione delle molecole della sostanza, e questa eccitazione viene rimossa dall'emissione di fotoni di energia inferiore. Lo scintillatore è già trasparente ai fotoni emessi, e quindi questi possono raggiungere il bordo della cella calorimetrica. I calorimetri utilizzano scintillatori standard, studiati da tempo, per i quali è ben noto quale parte dell'energia della particella originale viene convertita in un lampo ottico.

Per assorbire efficacemente la pioggia, è necessario utilizzare una sostanza quanto più densa possibile. Esistono due modi per combinare questo requisito con i requisiti per gli scintillatori. Per prima cosa potete scegliere degli scintillatori molto pesanti e riempirne il calorimetro. In secondo luogo, puoi fare un "sbuffo" alternando piastre di una sostanza pesante e uno scintillatore leggero. Esistono anche opzioni più esotiche per la costruzione di calorimetri, ad esempio i calorimetri “a spaghetti”, in cui molte sottili fibre ottiche di quarzo sono incorporate in una matrice da un massiccio assorbitore. Una doccia, sviluppandosi lungo un tale calorimetro, crea luce Cherenkov nel quarzo,. che viene emesso attraverso fibre ottiche all'estremità del calorimetro.

L'accuratezza della ricostruzione dell'energia delle particelle nel calorimetro migliora con l'aumentare dell'energia. Per particelle con energie di centinaia di GeV, l'errore è dell'ordine di una percentuale per i calorimetri elettromagnetici e di diversi punti percentuali per i calorimetri adronici.

Camere per muoni

Una caratteristica dei muoni è che perdono energia molto lentamente mentre si muovono attraverso la materia. Ciò è dovuto al fatto che, da un lato, sono molto pesanti, quindi non possono trasferire efficacemente energia agli elettroni durante una collisione e, in secondo luogo, non partecipano a interazioni forti, quindi sono debolmente dispersi dai nuclei. Di conseguenza, i muoni possono volare per molti metri di materia prima di fermarsi, penetrando dove nessun’altra particella può arrivare.

Ciò, da un lato, rende impossibile misurare l'energia dei muoni mediante calorimetri (dopotutto, un muone non può essere completamente assorbito), ma dall'altro consente di distinguere chiaramente i muoni dalle altre particelle. Nei rilevatori moderni camere per muoni situato negli strati più esterni del rilevatore, spesso anche al di fuori del massiccio giogo metallico che crea il campo magnetico nel rilevatore. Tali tubi non misurano l'energia, ma la quantità di moto dei muoni, e si può presumere con buona certezza che queste particelle siano proprio muoni e nient'altro. Esistono diversi tipi di camere per muoni utilizzate per scopi diversi.

Identificazione delle particelle

Una domanda separata è identificazione delle particelle, cioè scoprire che tipo di particella è passata attraverso il rilevatore. Ciò non sarebbe difficile se conoscessimo la massa della particella, ma è proprio questo che solitamente non lo sappiamo. Da un lato, la massa può, in linea di principio, essere calcolata utilizzando le formule della cinematica relativistica, conoscendo l'energia e la quantità di moto della particella, ma, sfortunatamente, gli errori nella loro misurazione sono solitamente così grandi da non consentire di distinguere, per esempio, un mesone pi da un muone a causa della loro vicinanza wt.

In questa situazione, ci sono quattro metodi principali per identificare le particelle:

• Di risposta in diversi tipi di calorimetri e in tubi muonici.
• Di rilascio di energia nei rilevatori di tracce. Si producono particelle diverse quantità diverse ionizzazione per centimetro di percorso e può essere misurata dall'intensità del segnale proveniente dai rilevatori di traccia.
• Utilizzando Cherenkov ribatte. Se una particella vola attraverso un materiale trasparente con un indice di rifrazione N ad una velocità maggiore della velocità della luce in questo materiale (cioè maggiore di c/n), quindi emette radiazioni Cherenkov in direzioni rigorosamente definite. Se prendiamo l'aerogel come sostanza rivelatrice (tipico indice di rifrazione N= 1,03), quindi la radiazione Cherenkov proveniente da particelle che si muovono a una velocità di 0,99 C e 0,995· C, varierà in modo significativo.
• Utilizzando telecamere del tempo di volo. In essi, utilizzando rilevatori con risoluzione temporale molto elevata, viene misurato il tempo di passaggio di una particella su una determinata area della camera e da questo viene calcolata la sua velocità.

Ciascuno di questi metodi presenta sfide e incertezze, quindi di solito non è garantita la correttezza dell'identificazione delle particelle. A volte un programma che elabora i dati grezzi provenienti da un rilevatore può concludere che un muone è passato attraverso il rilevatore quando in realtà si trattava di un pione. È impossibile eliminare completamente tali errori. Non resta che studiare attentamente il rilevatore prima dell'uso (ad esempio, utilizzando i muoni cosmici), scoprire la percentuale di casi di identificazione errata delle particelle e quindi tenerne sempre conto durante l'elaborazione dei dati reali.

Requisiti per i rilevatori

I moderni rilevatori di particelle sono talvolta chiamati i “fratelli maggiori” delle fotocamere digitali. Tuttavia, vale la pena ricordare che le condizioni operative della fotocamera e del rilevatore sono radicalmente diverse.

Prima di tutto, tutti gli elementi del rilevatore devono esserlo molto veloce e sincronizzati in modo molto preciso tra loro. Al Large Hadron Collider, al suo apice, i grappoli si scontreranno 40 milioni di volte al secondo. In ogni collisione si verificherà la nascita di particelle, che lasceranno la loro “immagine” nel rilevatore, e il rilevatore non deve “soffocare” con questo flusso di “istantanee”. Di conseguenza, in 25 nanosecondi è necessario raccogliere tutta la ionizzazione lasciata dalle particelle volanti, trasformarla in segnali elettrici e anche pulire il rilevatore, preparandolo per la successiva porzione di particelle. In 25 nanosecondi, le particelle volano per soli 7,5 metri, paragonabili alla dimensione di grandi rilevatori. Mentre la ionizzazione delle particelle volanti si raccoglie negli strati esterni del rilevatore, le particelle della prossima collisione stanno già volando attraverso i suoi strati interni!

Il secondo requisito chiave per un rilevatore è resistenza alle radiazioni. Le particelle elementari che si diffondono dal punto di collisione dei coaguli sono vere e proprie radiazioni, e in questo sono molto difficili. Ad esempio, la dose assorbita prevista di radiazioni ionizzanti che il rilevatore di vertice riceverà durante il funzionamento è di 300 kilogray più un flusso di neutroni totale di 5·10 14 neutroni per cm 2 . In queste condizioni il rilevatore deve funzionare per anni e rimanere comunque in buone condizioni. Ciò vale non solo per i materiali del rilevatore stesso, ma anche per l'elettronica di cui è confezionato. Ci sono voluti diversi anni per creare e testare dispositivi elettronici tolleranti ai guasti in grado di funzionare in condizioni così severe per le radiazioni.

Un altro requisito per l'elettronica è bassa dissipazione energetica. Non sono presenti rilevatori multimetro all'interno spazio libero- ogni centimetro cubo di volume è pieno di attrezzature utili. Il sistema di raffreddamento sottrae inevitabilmente il volume di lavoro del rilevatore: dopotutto, se una particella vola direttamente attraverso il tubo di raffreddamento, semplicemente non verrà registrata. Pertanto, il rilascio di energia dall'elettronica (che significa centinaia di migliaia di singole schede e fili che raccolgono informazioni da tutti i componenti del rilevatore) dovrebbe essere minimo.

Ulteriori letture:

• Gruppo K. “Rivelatori di particelle elementari” // Cronografo siberiano, Novosibirsk, 1999.
• Rilevatori di particelle (PDF, 1,8 MB).
• Rivelatori di particelle // capitolo da sussidio didattico B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “Particelle e nuclei. Sperimentare". M.: Casa editrice MSU, 2005.
• N. M. Nikityuk. Rilevatori di microvertici di precisione (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, v. 28, n. 1, pp.191–242 (1997).

Contenuto dell'articolo

RILEVATORI DI PARTICELLE, strumenti per la registrazione di particelle atomiche e subatomiche. Per poter essere rilevata, una particella deve interagire con il materiale del rilevatore. I rilevatori più semplici (“contatori”) registrano solo il fatto che una particella colpisce il rilevatore; quelli più complessi permettono anche di determinare il tipo di particella, la sua energia, la direzione del movimento, ecc.

L'interazione con il materiale del rivelatore si riduce molto spesso al processo di ionizzazione: la rimozione di elettroni da alcuni atomi del materiale del rivelatore, a seguito della quale acquisiscono una carica elettrica. Vengono registrati sia la ionizzazione stessa che i fenomeni correlati: l'emissione di luce, nonché le trasformazioni di fase o chimiche.

Interazione delle particelle con la materia.

Passando attraverso una sostanza, una particella si scontra con gli atomi di questa sostanza. Il numero di collisioni dipende principalmente dalla carica elettrica e dalla velocità della particella. La massa della particella e la natura della sostanza stessa giocano solo un ruolo secondario. Ad ogni collisione c'è la possibilità che l'atomo perda un elettrone e diventi uno ione carico positivamente. Pertanto, una particella che si muove in una sostanza lascia dietro di sé una scia di elettroni e ioni positivi. Questo processo, chiamato ionizzazione, è mostrato schematicamente in Fig. 1. Ad esempio, un protone molto veloce (la cui velocità è vicina alla velocità della luce), quando si muove nell'acqua, lascia circa 70.000 coppie di elettroni e ioni positivi lungo ogni centimetro del suo percorso. Contemporaneamente alla ionizzazione, gli atomi in collisione possono emettere luce o acquisire quantità di moto, il che porta al riscaldamento della sostanza e alla comparsa di vari tipi di difetti in essa. Ognuno di questi fenomeni può essere utilizzato in un rilevatore di particelle.

TIPI DI RILEVATORI

Dispositivi di ionizzazione.

Il funzionamento della camera di ionizzazione si basa sulla raccolta (sotto forma di corrente elettrica) di ioni formati quando le particelle cariche attraversano la camera. Lo schema del dispositivo è mostrato in Fig. 2. La corrente elettrica risultante dalla ionizzazione è data da

io = nnq/T,

Dove N– numero di ioni formati, Qè la carica elettrica di ciascuno ione, e T– tempo necessario per raccogliere gli ioni. La corrente può essere convertita in una caduta di tensione scaricando un condensatore da essa caricato o facendolo passare attraverso un resistore. La corrente generata da una singola particella è solitamente una frazione di microampere e la caduta di tensione viene misurata in millivolt. La perdita totale di energia di una particella mentre attraversa la camera è data dalla formula

E = nk,

Dove Nè il numero di ioni formati, che può essere determinato dalla caduta di corrente o di tensione nella camera, e k– l’energia media richiesta per formare una coppia di ioni. Grandezza k per i gas ordinari è di circa 30 eV (1 eV è l'energia che un elettrone acquisisce quando passa attraverso una differenza di potenziale di accelerazione di 1 V.) La formazione di coppie ioniche è un processo casuale, e quindi fluttuazioni nel numero N ordine . Anche tutte le quantità misurate in base alle letture dei contatori presenteranno fluttuazioni e quindi la precisione di tali misurazioni aumenta all'aumentare della loro durata.

Il requisito principale per la sostanza sensibile dei dispositivi di ionizzazione è che gli ioni prodotti dalla radiazione raggiungano gli elettrodi collettori. Inoltre, questa sostanza deve avere un'elevata resistività in modo che non vi siano correnti diverse da quelle associate alla ionizzazione. I gas, soprattutto quelli inerti come l'elio e l'argon, sono adatti a questi scopi, ma possono essere utilizzati anche altri dielettrici. Gli analoghi a stato solido della camera di ionizzazione sono rilevatori a semiconduttore. Un dispositivo simile con P – N-transizione mostrata in Fig. 3. Per creare una transizione, piccole quantità di determinate impurità vengono introdotte in un semiconduttore (solitamente un cristallo di germanio o silicio, che in termini di resistività è intermedio tra metalli e dielettrici). Per questo motivo, nella zona di transizione si forma un campo elettrico e, quando viene applicato un campo esterno aggiuntivo, si forma una zona impoverita, nella quale non sono presenti portatori di carica liberi necessari per creare una corrente elettrica. Ma se una particella ionizzante passa attraverso la regione impoverita, in essa compaiono portatori liberi (elettroni e "buchi"), il cui movimento crea una corrente. L'energia media richiesta per formare una coppia di portatori di carica in un rivelatore a semiconduttore è di circa 3 eV, mentre in un rivelatore di gas è di 30 eV. Di conseguenza, a parità di perdite di energia, nel rivelatore a semiconduttore appare un segnale elettrico 10 volte maggiore del segnale proveniente dalla camera di ionizzazione. Di conseguenza, aumenta la precisione con cui vengono misurate le perdite di energia.

I rilevatori a semiconduttore sono per molti versi simili ai diodi a semiconduttore, anch'essi dispositivi a semiconduttore con P – N-transizione. Tuttavia, il loro design ha le sue caratteristiche. Un tipo comune di rilevatore, il rilevatore a barriera superficiale, è realizzato depositando un sottile strato d'oro su silicio o germanio. Ha la forma di una lastra rotonda del diametro di circa 1 cm con uno strato di impoverimento di spessore inferiore a 1 mm. Tali rilevatori vengono utilizzati per misurare l'energia totale di particelle altamente ionizzanti, come le particelle alfa e i protoni a bassa energia. A causa dell'ampio segnale corrispondente a un evento di ionizzazione, tali dispositivi misurano l'energia delle particelle in modo più accurato rispetto a tutti gli altri tipi di rilevatori. Inoltre, le loro dimensioni ridotte e la facilità d'uso li rendono ideali per gli esperimenti spaziali.

Un altro tipo di rilevatore a semiconduttore è il rilevatore di deriva al litio P – io – N- transizione - prodotto mediante il metodo di diffusione degli ioni di litio in un materiale semiconduttore (germanio o silicio). Ciò rende possibile ottenere regioni impoverite spesse diversi centimetri e creare rilevatori di dimensioni notevolmente maggiori rispetto ai rilevatori a barriera superficiale. Tali rilevatori vengono utilizzati per rilevare particelle ad alta energia, nonché raggi X e radiazioni gamma, che interagiscono in modo relativamente debole con la materia.

Contatori proporzionali e contatori Geiger.

Un grave svantaggio dei rilevatori a semiconduttore e delle camere a ionizzazione è la bassa corrente creata in essi dalla particella ionizzante. È così piccolo che per misurarlo sono necessari amplificatori elettronici con guadagni elevati. Ma se si aumenta l'alta tensione sulla camera di ionizzazione, gli elettroni generati durante la ionizzazione primaria acquisiranno energia sufficiente per la ionizzazione secondaria, il che porterà ad un aumento del segnale. Un rilevatore che funziona in questa modalità è chiamato contatore proporzionale, poiché gli impulsi di tensione prelevati dal contatore sono proporzionali al numero di ioni inizialmente apparsi. Il numero di ioni secondari prodotti in media da ciascuno ione primario dipende dall'intensità del campo elettrico nel contatore. In una camera piano-parallela il campo elettrico è uniforme e la sua intensità è pari alla differenza di potenziale tra le piastre divisa per la distanza tra loro. In una tale geometria è difficile ottenere i campi ad alta intensità richiesti per la ionizzazione secondaria. Nelle camere con un filamento centrale come anodo, circondato da un catodo cilindrico, il campo è irregolare e aumenta in prossimità dell'anodo. In questa geometria è possibile ottenere un guadagno di diverse migliaia.

All'aumentare della tensione ai capi del contatore proporzionale, il guadagno del segnale non aumenta indefinitamente. Ad un certo punto, il segnale del contatore cessa di essere proporzionale alla ionizzazione primaria e aumenta leggermente all'aumentare della tensione. Un dispositivo che funziona in questa modalità è chiamato contatore Geiger. È simile nel design a un contatore proporzionale. Inoltre, è possibile costruire un contatore che funzionerà come camera di ionizzazione, contatore proporzionale o contatore Geiger a seconda della tensione applicata tra catodo e anodo.

L'impulso di corrente che si verifica in un contatore Geiger dopo il passaggio di una particella carica è simile ad una scarica di scintilla elettrica. Come in altri dispositivi di ionizzazione, il contributo principale alla corrente è dato dagli elettroni. Gli ioni positivi presenti in grandi quantità schermano elettricamente l'anodo dal catodo e quindi indeboliscono il campo che agisce sugli elettroni. All'aumentare della corrente aumenta la schermatura e si raggiunge la saturazione, limitando la corrente massima. Contemporaneamente alla saturazione avviene un altro processo: la distribuzione della scarica sull'intero volume del contatore Geiger. È causato dal bagliore della scarica, la cui luce produce un'ulteriore ionizzazione nel contatore per effetto fotoelettrico. Ovunque si verifichi la fotoionizzazione, si verifica una nuova scarica. Alla fine il segnale non dipende più dalla ionizzazione primaria e può raggiungere i 100 V. Pertanto la scarica amplifica il segnale primario di oltre un milione di volte.

Per estinguere la scarica in un contatore Geiger è necessario adottare misure speciali. È possibile ridurre la tensione esterna e mantenerla al di sotto del livello al quale è possibile una scarica stabile finché tutti gli ioni non vengono rimossi dal controvolume. Un modo più semplice è introdurre delle coppie nel contatore, che assorbirebbero la luce emessa dalla scarica e dissiperebbero l'energia non per effetto fotoelettrico, ma, ad esempio, per dissociazione. Per fare ciò, vengono solitamente aggiunti alogeni gassosi (l'industria, di norma, produce contatori di questo tipo).

I contatori proporzionali possono essere utilizzati per misurare radiazioni a bassa energia come elettroni o radiazione a raggi X. Un contatore Geiger registra solo l'aspetto di una particella. In altre parole, in presenza di radiazioni diversi tipi Un contatore Geiger fornisce solo il numero totale di particelle che passano attraverso il rilevatore, mentre un contatore proporzionale consente di analizzare la radiazione in base al tipo e all'energia. I rilevatori a semiconduttore hanno le stesse funzionalità, così come molti altri tipi di rilevatori discussi di seguito.

Contatori scintillazione e Cherenkov.

L'emissione di luce da parte di alcune sostanze quando particelle cariche veloci le attraversano è chiamata scintillazione. La luce emessa può rappresentare il 5-10% dell’energia totale persa dalle particelle. La sua emissione - un caso particolare di luminescenza - è determinata dalla struttura atomica della sostanza attraverso la quale passa la particella. I contatori a scintillazione si basano sulla registrazione della luce emessa da un mezzo quando una particella lo attraversa.

I moderni contatori a scintillazione, apparsi intorno al 1947, utilizzano tubi fotomoltiplicatori (PMT) per registrare le scintillazioni, convertendo un lampo di luce in un segnale elettrico e contemporaneamente amplificando questo segnale. Un contatore a scintillazione con un fotomoltiplicatore è mostrato schematicamente in Fig. 4.

Quando si sceglie una sostanza scintillante, sorge la questione di raccogliere la luce dal cristallo. È noto che le sostanze che emettono luce di una certa frequenza assorbono luce della stessa frequenza. Pertanto, in un cristallo molto puro, la luce di scintillazione verrà continuamente assorbita e riemessa dagli atomi del cristallo finché la luce non fuoriesce attraverso la superficie del cristallo o viene assorbita sotto forma di calore. Quest'ultimo si verifica più spesso in cristalli di dimensioni abbastanza grandi, e per questo motivo i cristalli puri risultano essere scadenti scintillatori. La situazione migliora notevolmente con l'introduzione di impurità speciali. Tali impurità attivanti, spostando la lunghezza d'onda, avendo assorbito la luce, la emettono con diverse più a lungo onde, grazie alle quali può uscire. Dai cristalli inorganici vengono solitamente utilizzati ioduri di sodio e cesio attivati ​​dal tallio. Anche le plastiche attivate e i liquidi organici vengono utilizzati con successo come scintillatori. Un tipico esempio è il polistirene attivato con para-terfenile. Vengono utilizzati anche alcuni cristalli organici puri.

I contatori a scintillazione presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri rilevatori di particelle. I materiali di scintillazione solidi e liquidi sono migliaia di volte più densi dei gas utilizzati nei contatori a ionizzazione. Di conseguenza, la perdita di energia della particella ionizzante per unità di lunghezza e segnale aumenta in modo significativo. Inoltre, i PMT forniscono un'amplificazione del segnale primario che non può essere ottenuta utilizzando circuiti elettronici. Inoltre, la durata del segnale all'uscita del contatore a scintillazione può essere di soli 10–9 s, mentre nella migliore delle ipotesi è possibile ottenere dalla camera di ionizzazione un segnale con una durata di circa 10–7 s.

Il segnale all'uscita di un contatore a scintillazione, come quello dei dispositivi a ionizzazione, è proporzionale all'energia persa dalla particella incidente nella sostanza scintillante. Questa energia può raggiungere diverse centinaia di megaelettronvolt e rappresenta l'energia cinetica totale della particella in caduta. Il segnale del contatore può essere utilizzato anche per misurare gli intervalli di tempo tra la comparsa di particelle diverse. Un esempio è la misurazione della durata media di particelle instabili come P- O A-mesone. L'essenza dell'esperimento è registrare l'intervallo di tempo tra il controsegnale corrispondente all'ingresso di un mesone e il segnale corrispondente alla comparsa del prodotto di decadimento. Tutta la vita P-mesone è di circa 25H 10 –9 s e per misurarlo con precisione è necessario un contatore con un tempo di risposta molto più breve.

I contatori a scintillazione sono ampiamente utilizzati negli esperimenti con fasci di particelle in acceleratori ad alta energia. Tali fasci sono solitamente costituiti da grappoli di particelle e, per isolare le singole particelle all'interno di questi grappoli, è necessaria l'elevata “risoluzione temporale” (breve tempo di risposta) fornita dai contatori a scintillazione.

Utilizzando normali liquidi organici e plastica come materiali di scintillazione, è possibile produrre contatori di quasi ogni dimensione e forma. Per gli esperimenti con i raggi cosmici, dove i flussi di particelle sono estremamente piccoli, vengono creati giganteschi sistemi di rilevamento contenenti tonnellate di materiali sensibili. Una quantità altrettanto enorme di materia viene utilizzata per rilevare i neutrini, particelle neutre la cui probabilità di interagire con la materia è estremamente bassa. L'esperimento può anche utilizzare un sistema composto da un gran numero di contatori a scintillazione individuali. In questi casi spesso svolgono lo stesso ruolo dei contatori Geiger, vale a dire servono come indicatori della presenza di particelle. I contatori a scintillazione possono essere molto più affidabili dei contatori Geiger e, grazie alla loro elevata risoluzione temporale, possono rilevare con precisione flussi di particelle molto più intensi.

Un contatore Cherenkov è un rilevatore simile nell'aspetto a un contatore a scintillazione. Registra la cosiddetta radiazione Cherenkov, il bagliore emesso da una particella carica che si muove in un mezzo ad una velocità superiore alla velocità della luce in questo mezzo. Questo fenomeno è simile all'onda d'urto che si verifica nell'aria quando un proiettile vola più velocemente del suono. In qualsiasi mezzo rifrattivo, la velocità della luce è Con/N, Dove Con– velocità della luce nel vuoto (3H 10 8 m/s), e N– indice di rifrazione del mezzo. Pertanto, nel vetro, il cui indice di rifrazione è 1,5, la velocità della luce è solo 2H 10 8 m/s. Qualsiasi particella che si muove nel vetro ad una velocità maggiore emetterà radiazioni Cherenkov. (Non c'è qui alcuna contraddizione con la teoria parziale della relatività, secondo la quale la velocità di qualsiasi particella, indipendentemente dal mezzo in cui si muove, non può superare la velocità della luce nel vuoto.) Pertanto, un contro Cherenkov, la sostanza sensibile di cui ha un indice di rifrazione N, reagirà alle particelle la cui velocità supera Con/N. L'intensità della luce è proporzionale al valore (1 – v 2 /C 2 N 2), che è zero alla velocità di soglia Con/N e aumenta rapidamente fino al valore massimo quando la velocità v la particella rilevata si avvicina alla velocità della luce Con. La particolarità della radiazione Cherenkov è che è concentrata nel cono anteriore rispetto alla direzione del movimento delle particelle. L'angolo al vertice del cono è dato dall'espressione

cos Q = v/cn.

Utilizzando questa dipendenza dell'angolo di emissione dalla velocità, è possibile progettare sul catodo del fotomoltiplicatore un contatore in cui verrà focalizzata solo la radiazione delle particelle che si muovono ad una certa velocità.

L'intensità di un lampo di luce della radiazione Cherenkov è circa 100 volte più debole della scintillazione. Pertanto, quando si sceglie una sostanza sensibile per un contatore Cherenkov, è necessario limitarsi ai materiali in cui non si verifica la scintillazione. Di solito si tratta di acqua e plexiglass. Per registrare particelle con velocità prossime a quella della luce, vengono utilizzati gas il cui indice di rifrazione è molto vicino a 1. Ad esempio, un contatore Cherenkov con aria a pressione atmosferica risponderà solo a particelle con velocità pari ad almeno 0,9997 Con.

Viene utilizzata anche la dipendenza del segnale del contatore Cherenkov dalla velocità. La comparsa di un segnale indica il passaggio di una particella carica ad una velocità superiore alla soglia, e un circuito con due contatori permette di identificare le particelle che si trovano in un intervallo di velocità ristretto. Ciò rende possibile studiare lo spettro delle particelle con alte velocità, e non solo registrare il loro aspetto. Il segnale di uscita di un contatore a scintillazione, come qualsiasi dispositivo di ionizzazione, è quasi costante per tutte le particelle con velocità superiori a 2H 10 8 m/s (0,67 la velocità della luce).

Rivelatori di neutroni e raggi gamma.

Gli strumenti di ionizzazione, i contatori a scintillazione e Cherenkov reagiscono direttamente solo alle particelle cariche. Le particelle neutre, come i neutroni e i raggi gamma, devono prima agire in qualche modo sulla sostanza affinché si formino particelle cariche a cui il contatore possa rispondere. Quando la radiazione gamma interagisce con la materia, si formano elettroni a causa dell'effetto fotoelettrico, dell'effetto Compton o della creazione di coppie elettrone-positrone. L'effetto fotoelettrico è il processo inverso dell'emissione di luce: un quanto gamma viene assorbito da un atomo, dal quale viene emesso un elettrone con la stessa energia del quanto gamma, meno l'energia di legame dell'elettrone nell'atomo. L'effetto fotoelettrico è significativo a energie di quanti gamma inferiori a circa 1 MeV. L'effetto Compton è la diffusione dei raggi gamma da parte degli elettroni. In questo caso, un elettrone viene espulso dall'atomo e acquisisce energia cinetica nell'intervallo da zero a quasi l'intera energia di un quanto gamma. Questo processo viene riprodotto ruolo importante nella regione energetica dell'ordine di 1 MeV e per sostanze con basso numero atomico, come il carbonio. La produzione di coppie avviene come risultato dell'interazione di un quanto gamma con un forte campo elettrico vicino al nucleo. L'energia totale dell'elettrone e del positrone appena nati (energia cinetica + energia a riposo) è uguale all'energia del quanto gamma. La produzione di coppie non avviene a energie inferiori a 1 MeV. A energie più elevate domina, soprattutto nelle sostanze con numeri atomici elevati come il piombo.

Il compito principale quando si registrano i raggi gamma è trovare una sostanza che li assorba facilmente e allo stesso tempo sia sensibile agli elettroni emessi. I dispositivi di ionizzazione sono relativamente poco sensibili ai raggi gamma a causa della bassa densità del gas riempito, anche se in una certa misura la conversione avviene nelle pareti del contatore. Gli strumenti più adatti per registrare i raggi gamma e misurarne l'energia si sono rivelati contatori a scintillazione con cristalli ad alta densità contenenti elementi ad alto numero atomico. Cristalli relativamente piccoli di ioduro di sodio forniscono un'efficienza quasi del 100% nel rilevare i raggi gamma in un ampio intervallo di energia. IN ugualmente Sono adatti anche altri materiali di scintillazione. La loro scelta dipende solitamente dalla radiazione studiata. I contatori Cherenkov vengono utilizzati anche per registrare i raggi gamma, soprattutto nella regione ad alta energia. In questo caso, il vetro al piombo e il bromoformio sono ampiamente utilizzati come emettitori Cherenkov.

I neutroni sono particelle nucleari prive di carica, quindi interagiscono con la materia solo in collisioni dirette con i nuclei dei suoi atomi. Quando si scontra con un nucleo di idrogeno (protone), il neutrone può trasferire tutta la sua energia al protone, che, essendo una particella carica, può essere rilevato nel solito modo. Questo processo, chiamato scattering elastico, è ampiamente utilizzato per rilevare neutroni con energie superiori a circa 0,1 MeV. Grazie a alto contenuto Le plastiche e i liquidi per la scintillazione dell'idrogeno sono adatti per rilevare neutroni con un'efficienza del 10–20%. A volte, sotto l'influenza dei neutroni, si verificano reazioni nucleari con l'emissione di particelle cariche o raggi gamma. Alcune di queste reazioni sono estremamente probabili, specialmente a energie di neutroni di circa 1 eV. Un esempio è la reazione con il boro, accompagnata dall'emissione di particelle alfa. Ecco perché alta efficienza Il rilevamento dei neutroni è fornito da un contatore Geiger riempito di trifluoruro di boro. Un altro esempio di tale reazione è la fissione nucleare. Vengono utilizzate camere di ionizzazione con uno strato interno di materiale di fissione, come l'uranio-235. Sulla base del grande rilascio di energia caratteristico della fissione nucleare, i neutroni possono essere rilevati sullo sfondo di altre particelle.

Il rilevamento dei neutroni è spesso complicato dalle difficoltà nel separare i neutroni dalla radiazione gamma. I rilevatori di neutroni lenti hanno un'efficienza di rilevamento dei neutroni che è generalmente molto più elevata rispetto alla radiazione gamma. Ma per i contatori a scintillazione utilizzati per rilevare neutroni veloci, l’efficienza è solitamente più o meno la stessa in entrambi i casi. I neutroni possono essere distinti dalla forma dell'impulso rilevato, poiché nel caso di un neutrone l'impulso è più ampio nel tempo. Ma questa differenza è piccola e per rilevarla sono necessari dispositivi elettronici piuttosto complessi.

Camere Wilson e camere a bolle.

A condizioni adeguate la ionizzazione prodotta in una sostanza da una particella carica può causare una transizione di fase in essa. La cosiddetta camera a nebbia utilizza la condensazione del liquido dal vapore. Il dispositivo fu inventato nel 1912 da Charles Wilson, che per molti anni studiò la fisica della formazione delle nubi nell'atmosfera. Wilson scoprì che il vapore sovrasaturo si condensa in goccioline attorno ai centri di nucleazione, che sono ioni positivi e negativi. Passando per il vapore saturo, una particella carica lascia dietro di sé una scia di goccioline. In 1 ms, le goccioline raggiungono dimensioni visibili.

La camera a bolle fu inventata e migliorata all'inizio degli anni '50 da D. Glaser. Basandosi sull'analogia con la camera a nebbia, ha trovato una diversa transizione di fase, che permette anche di visualizzare le tracce delle particelle. Il suo dispositivo utilizza un liquido surriscaldato che bolle vicino ai centri di nucleazione, che sono ioni. Quando una particella passa attraverso un liquido di questo tipo, lascia dietro di sé una scia di bolle. Entrambi questi dispositivi hanno portato i loro creatori Premi Nobel e ha dato ai ricercatori l’opportunità di osservare quasi “personalmente” i fenomeni nucleari.

Le camere a bolle e le camere a nebbia consentono di vedere le tracce delle particelle. Ciò significa che la posizione di una particella può essere determinata con una precisione fino alla dimensione di una goccia o di una bolla visibile, cioè fino a circa 1 mm. Le fotocamere sono spesso posizionate in un campo magnetico. Ciò porta alla curvatura delle traiettorie delle particelle cariche, inversamente proporzionale alla loro quantità di moto. In questo caso, le particelle caricate positivamente vengono deviate in una direzione e quelle caricate negativamente nell'altra. Pertanto, oltre all'immagine spaziale fornita da questi dispositivi, consentono di misurare la quantità di moto di una particella e di determinare il segno della sua carica.

Emulsioni nucleari.

Le emulsioni fotografiche come rilevatori di particelle sono in qualche modo simili alle camere a nebbia e alle camere a bolle. Furono usati per la prima volta dal fisico inglese S. Powell per studiare i raggi cosmici. L'emulsione fotografica è uno strato di gelatina in cui sono dispersi granelli di bromuro d'argento. Sotto l'influenza della luce, nei grani del bromuro d'argento si formano centri di immagine latenti, che contribuiscono alla riduzione del bromuro d'argento in argento metallico quando sviluppati con uno sviluppatore fotografico convenzionale. Il meccanismo fisico per la formazione di questi centri è la formazione di atomi di argento metallico per effetto fotoelettrico. La ionizzazione prodotta dalle particelle cariche dà lo stesso risultato: appare una scia di granelli sensibilizzati che, dopo lo sviluppo, può essere vista al microscopio. Grandi flussi di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti causano l'appannamento dell'emulsione, visibile ad occhio nudo, come nei normali raggi X.

La tecnica dell'emulsione nucleare è più attraente perché è abbastanza compatta. Le emulsioni, quasi uguali a quelle della fotografia, vengono fornite sotto forma di fogli di spessore 0,1 mm. I singoli fogli di carta vengono impilati in pile del volume richiesto (la dimensione tipica è di circa decine di centimetri). Dopo l'irradiazione nel flusso di particelle, le cataste vengono separate in fogli per lo sviluppo e l'analisi. A causa dell'elevata concentrazione di argento, la densità delle emulsioni fotografiche è piuttosto elevata e quindi la perdita di energia delle particelle ionizzanti, anche su una distanza relativamente breve nell'emulsione, può raggiungere centinaia di megaelettronvolt. L'impronta delle particelle è larga solo pochi micrometri, consentendo di misurare la posizione delle particelle con una precisione molto maggiore rispetto alle camere a bolle e alle camere a nebbia. La densità della traccia (il numero di granelli anneriti per unità di lunghezza) è direttamente proporzionale alla ionizzazione prodotta dalla particella in caduta e, quindi, dipende dalla sua velocità. Inoltre, a seguito di numerose collisioni con gli atomi dell'emulsione, la traiettoria delle particelle presenta deviazioni. Sulla base dei risultati della misurazione della densità della traccia e delle sue deviazioni, è possibile determinare la massa della particella che ha lasciato la traccia e quindi identificarla. Utilizzando le stesse misurazioni è possibile determinare la carica di una particella. È così che sono stati scoperti nuclei di ferro ad alta energia nei raggi cosmici.

Camere di scintilla.

La camera della scintilla è un insieme di piastre conduttrici parallele separate dal gas ed isolate elettricamente l'una dall'altra. Una particella carica che passa attraverso la camera crea ioni nel gas tra le piastre. L'impulso risultante attiva un circuito esterno che fornisce un impulso ad alta tensione di circa 10.000 V alle piastre alternate. Nel momento in cui viene applicato questo impulso, coppie di piastre della camera agiscono come contatori Geiger e le scintille saltano nei punti in cui è passata la particella. . Le scintille sono chiaramente visibili (e udibili).

Rivelatori di tracce a stato solido.

Quando attraversano la materia, le particelle possono letteralmente “spingere” gli atomi sul loro percorso e lasciare dietro di sé una traccia visibile al microscopio elettronico. Questa è la prima volta che tali tracce vengono osservate nella mica. Queste deboli tracce possono essere rilevate da mezzi aggressivi che corrodono selettivamente il materiale. La scia di una particella si verifica solo se crea molti ioni lungo il suo percorso. Pertanto, le particelle nucleari come i protoni e le particelle alfa non lasciano traccia. Saranno visibili solo le tracce di nuclei interi (ad esempio nuclei di ferro) e frammenti della loro fissione.

La specificità di tali rilevatori è determinata dalla loro sensibilità alle particelle molto pesanti, nonché dalla loro capacità di preservare tracce di eventi accaduti in tempi antichi. Per studiare i raggi cosmici si sollevano grandi fogli di plastica su palloni stratosferici. In questo modo furono registrati i nuclei di uranio e altri elementi pesanti che penetravano nell'atmosfera terrestre con la radiazione cosmica primaria. Le tracce nei minerali ci consentono di determinare con precisione la loro età. Questo metodo è stato utilizzato per studiare le rocce non solo di origine terrestre, ma anche meteoritica e lunare.

Rilevatore di particelle, rilevatore di radiazioni ionizzanti nella fisica sperimentale delle particelle, un dispositivo progettato per rilevare e misurare i parametri di particelle elementari ad alta energia, come i raggi cosmici o le particelle prodotte durante i decadimenti nucleari o negli acceleratori.

Tipi principali [ | ]

Obsoleto

Rivelatori per la radioprotezione

Rivelatori per la fisica nucleare e delle particelle

• Telecamere odoscopiche
• Contatori
• Rilevatori di tracce
• Analizzatori di massa

Rivelatori per esperimenti su fasci collidenti[ | ]

Nella fisica delle particelle, il concetto di “rivelatore” si riferisce non solo a vari tipi di sensori per la rilevazione di particelle, ma anche a grandi installazioni create sulla loro base e comprendenti anche le infrastrutture per mantenerne la funzionalità (sistemi criogenici, sistemi di condizionamento dell'aria, alimentatori ), elettronica di lettura ed elaborazione primaria dei dati, sistemi ausiliari(ad esempio, solenoidi superconduttori per creare un campo magnetico all'interno dell'impianto). Di norma, tali impianti vengono ora creati da grandi gruppi internazionali.

Poiché la costruzione di un impianto di grandi dimensioni richiede notevoli investimenti finanziari e sforzi umani, nella maggior parte dei casi viene utilizzato non per un compito specifico, ma per un'intera gamma di misurazioni diverse. I requisiti principali per un moderno rivelatore per esperimenti con acceleratore sono:

Per problemi specifici possono essere richiesti requisiti aggiuntivi, ad esempio, per esperimenti che misurano la violazione di CP in un sistema di mesoni B, la risoluzione delle coordinate nella regione di interazione del fascio gioca un ruolo importante.

Immagine convenzionale di un rivelatore universale multistrato per un acceleratore che utilizza fasci collidenti.

La necessità di soddisfare queste condizioni porta alla progettazione di un rilevatore multistrato universale tipico oggi. Nella letteratura in lingua inglese, tale schema viene solitamente paragonato a una struttura a cipolla. Nella direzione dal centro (la regione di interazione dei raggi) verso la periferia, un tipico rilevatore per un acceleratore di raggi in collisione è costituito dai seguenti sistemi:

Sistema di binari[ | ]

Il sistema di tracciamento è progettato per registrare la traiettoria di una particella carica: coordinate dell'area di interazione, angoli di partenza. Nella maggior parte dei rilevatori, il sistema di tracciamento è posto in un campo magnetico, che porta alla curvatura delle traiettorie delle particelle cariche e consente di determinarne la quantità di moto e il segno di carica.

Il sistema di tracciamento è solitamente basato su rilevatori al silicio semiconduttore.

Sistema di identificazione[ | ]

Il sistema di identificazione consente di separare vari tipi particelle cariche. Il principio di funzionamento dei sistemi di identificazione consiste molto spesso nel misurare la velocità di passaggio di una particella in tre modi:

Insieme alla misurazione della quantità di moto della particella nel sistema di tracciamento, ciò fornisce informazioni sulla massa e, di conseguenza, sul tipo di particella.

Calorimetro [ | ]

Elenco dei rilevatori operativi o in costruzione per acceleratori di fasci in collisione[ | ]

Applicazione[ | ]

Oltre agli esperimenti scientifici, i rilevatori di particelle elementari vengono utilizzati anche in compiti applicativi - in medicina (macchine a raggi X con una bassa dose di radiazioni,

I “veri” rilevatori di particelle, come quelli del Large Hadron Collider, costano milioni di dollari e pesano centinaia di tonnellate, ma cercheremo di cavarcela con un budget molto più modesto.

Avremo bisogno di:

• ghiaccio secco (circa 80 rubli per chilogrammo, si consiglia di acquistare un contenitore termico in schiuma per altri 300 rubli, altrimenti tutto ciò che hai acquistato evaporerà troppo velocemente). Non serve molto ghiaccio secco, ne basta un chilogrammo;
• alcool isopropilico (costa 370 rubli per 0,5 litri, venduto nei negozi di radio);
• un pezzo di feltro (negozio di cucito, circa 150 rubli);
• colla per incollare il feltro sul fondo del contenitore (“Moment”, 150 rubli);
• un contenitore trasparente, ad esempio un acquario di plastica con coperchio (abbiamo acquistato un contenitore per alimenti in plastica dura per 1,5 mila rubli);
• un supporto per il ghiaccio secco, potrebbe essere una cuvetta fotografica (trovata nella cucina della redazione);
• torcia elettrica.

Quindi cominciamo. Per prima cosa devi incollare un pezzo di feltro sul fondo del contenitore e attendere qualche ora affinché la colla si asciughi. Successivamente, il feltro deve essere immerso nell'alcol isopropilico (fai attenzione a non farti entrare l'alcol negli occhi!). È consigliabile che il feltro sia completamente saturo di alcool, il resto del quale dovrà poi essere scolato. Quindi è necessario versare il ghiaccio secco sul fondo della cuvetta, chiudere il contenitore con un coperchio e posizionarlo nel ghiaccio secco con il coperchio abbassato. Ora devi aspettare che l'aria all'interno della camera sia satura di vapore alcolico.

Il principio di funzionamento di una camera a nebbia (nota anche come “camera a nebbia”) è che anche un impatto molto debole provoca la condensazione del vapore di alcol saturo. Di conseguenza, anche l'impatto delle particelle cosmiche provoca la condensazione del vapore e nella camera si formano catene di goccioline microscopiche - tracce.

Puoi guardare l'esperimento nel nostro video:

Qualche nota per esperienza: non dovresti comprare troppo ghiaccio secco: evaporerà completamente in meno di un giorno, anche da un contenitore termico, ed è improbabile che troverai un frigorifero industriale. Il coperchio del contenitore trasparente deve essere nero, ad esempio puoi chiuderlo dal basso con vetro nero. Le tracce saranno meglio visibili su uno sfondo nero. Devi guardare esattamente parte inferiore contenitore, lì si forma una caratteristica nebbia, simile alla pioggia battente. È in questa nebbia che emergono le tracce delle particelle.

Quali tracce puoi vedere:

Queste non sono particelle cosmiche. Le tracce corte e spesse sono tracce di particelle alfa emesse dagli atomi del gas radioattivo radon, che filtra continuamente dalle viscere della Terra (e si accumula in zone non ventilate).

Tracce lunghe e strette sono lasciate dai muoni, parenti pesanti (e di breve durata) degli elettroni. Vengono prodotti in gran numero nell'alta atmosfera quando le particelle ad alta energia si scontrano con gli atomi e producono sciami di particelle, costituiti principalmente da muoni.

Le traiettorie curve sono un segno di elettroni o delle loro antiparticelle, i positroni. Sono generati anche dai raggi cosmici, si scontrano con le molecole d'aria e possono muoversi a zigzag.

Se vedi tracce biforcate, allora sei fortunato: hai assistito al decadimento di una particella in due.

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