Menu
Secara percuma
Pendaftaran
Rumah  /  Pelepasan/ Pengesan zarah asas. Prinsip fizikal pengesanan zarah asas

Pengesan zarah asas. Prinsip fizikal pengesanan zarah asas

Dalam ch. XXIII kami berkenalan dengan instrumen yang digunakan untuk mengesan mikrozarah - ruang awan, kaunter kilauan, kaunter pelepasan gas. Pengesan ini, walaupun digunakan dalam penyelidikan zarah asas, bagaimanapun, tidak selalunya mudah. Hakikatnya ialah proses interaksi yang paling menarik, disertai dengan transformasi bersama zarah asas, berlaku sangat jarang. Zarah mesti menemui banyak nukleon atau elektron pada laluannya untuk perlanggaran yang menarik berlaku. Dalam amalan, ia mesti melalui laluan dalam bahan tumpat yang diukur dalam berpuluh-puluh sentimeter - meter (dalam laluan sedemikian, zarah bercas dengan tenaga berbilion volt elektron kehilangan hanya sebahagian daripada tenaganya disebabkan pengionan).

Walau bagaimanapun, dalam ruang awan atau kaunter pelepasan gas lapisan sensitif (dari segi jirim padat) adalah sangat nipis. Dalam hal ini, beberapa kaedah pengesanan zarah lain telah mula digunakan.

Kaedah fotografi ternyata sangat membuahkan hasil. Dalam emulsi fotografi berbutir halus khas, setiap zarah bercas yang melintasi emulsi meninggalkan kesan, yang, selepas membangunkan plat, dikesan di bawah mikroskop dalam bentuk rantai butir hitam. Dengan sifat jejak yang ditinggalkan oleh zarah dalam emulsi fotografi, seseorang boleh menentukan sifat zarah ini - cas, jisim dan tenaganya. Kaedah fotografi adalah mudah bukan sahaja kerana bahan tebal boleh digunakan, tetapi juga kerana dalam plat fotografi, tidak seperti ruang awan, kesan zarah bercas tidak hilang sejurus selepas zarah berlalu. Apabila mengkaji kejadian yang jarang berlaku, plat boleh terdedah masa yang lama; ini amat berguna dalam penyelidikan sinar kosmik. Contoh kejadian jarang yang ditangkap dalam emulsi fotografi ditunjukkan di atas dalam Rajah. 414, 415; Nasinya sangat menarik. 418.

Kaedah lain yang luar biasa adalah berdasarkan penggunaan sifat cecair panas lampau (lihat Jilid I, § 299). Apabila memanaskan cecair yang sangat tulen pada suhu walaupun sedikit suhu yang lebih tinggi mendidih, cecair tidak mendidih, kerana ketegangan permukaan menghalang pembentukan gelembung wap. Ahli fizik Amerika Donald Glaser (b. 1926) menyedari pada tahun 1952 bahawa cecair panas lampau serta-merta mendidih di bawah penyinaran yang cukup sengit; tenaga tambahan yang dikeluarkan dalam kesan elektron pantas yang dicipta dalam cecair oleh sinaran menyediakan syarat untuk pembentukan buih.

Berdasarkan fenomena ini, Glaeser membangunkan ruang gelembung cecair yang dipanggil. Cecair di tekanan darah tinggi memanaskan sehingga suhu hampir tetapi kurang daripada takat didih. Kemudian tekanan, dan dengan itu takat didih, berkurangan, dan cecair menjadi terlalu panas. Sepanjang trajektori zarah bercas yang melintasi cecair pada masa ini, jejak gelembung wap terbentuk. Dengan pencahayaan yang sesuai ia boleh ditangkap oleh kamera. Sebagai peraturan, ruang gelembung diletakkan di antara kutub elektromagnet yang kuat, medan magnet membengkokkan trajektori zarah. Dengan mengukur panjang jejak zarah, jejari kelengkungannya, dan ketumpatan buih, adalah mungkin untuk menentukan ciri zarah. Bilik gelembung kini telah mencapai tahap kesempurnaan yang tinggi; Sebagai contoh, ruang yang diisi dengan hidrogen cecair dengan isipadu sensitif beberapa meter padu berfungsi. Contoh gambar kesan zarah dalam ruang gelembung ditunjukkan dalam Rajah. 416, 417, 419, 420.

nasi. 418. Transformasi zarah direkodkan dalam timbunan emulsi fotografi yang disinari oleh sinar kosmik. Pada ketika itu, zarah neutral pantas yang tidak kelihatan menyebabkan pemisahan salah satu nukleus emulsi dan membentuk meson ("bintang" sebanyak 21 jejak). Salah satu meson, -meson, setelah melepasi laluan di sekeliling (gambar hanya menunjukkan permulaan dan penghujung jejak; dengan pembesaran yang digunakan dalam gambar, panjang keseluruhan jejak akan menjadi ), berhenti pada satu titik dan reput mengikut rajah . -meson, yang kesannya diarahkan ke bawah, ditangkap pada titik oleh nukleus, menyebabkannya membelah. Salah satu serpihan pembelahan ialah nukleus, yang, melalui pereputan, berubah menjadi nukleus yang serta-merta hancur menjadi dua zarah yang terbang ke arah yang bertentangan - dalam gambar mereka membentuk "tukul". -meson, setelah berhenti, bertukar menjadi -muon (dan neutrino) (titik). Penghujung jejak -muon ditunjukkan di sudut kanan atas rajah; kesan positron yang terbentuk semasa pereputan kelihatan.

nasi. 419. Pembentukan dan pereputan -hiperon. Dalam ruang gelembung hidrogen yang diletakkan dalam medan magnet dan disinari dengan antiproton, tindak balas telah direkodkan . Ia berlaku pada penghujung denai (lihat rajah di bahagian atas rajah). Lambda neutral dan hyperon anti-lambda, setelah terbang dalam jarak yang singkat tanpa membentuk jejak, reput mengikut skema. Antiproton musnah bersama proton, membentuk dua dan dua -meson-kuantum pada proton; proton tidak memberikan kesan yang boleh dilihat, kerana kerana jisimnya yang besar ia tidak menerima tenaga yang mencukupi apabila berinteraksi dengan -kuantum

Seperti mana-mana eksperimen fizikal, apabila mengkaji zarah asas, anda perlu terlebih dahulu meletakkan eksperimen dan kemudian mendaftar keputusannya. Pemecut terlibat dalam menyediakan eksperimen (perlanggaran zarah), dan keputusan perlanggaran dikaji menggunakan pengesan zarah.

Untuk membina semula gambaran perlanggaran, adalah perlu bukan sahaja untuk mengetahui zarah mana yang dilahirkan, tetapi juga untuk mengukur dengan tepat ciri-ciri mereka, terutamanya trajektori, momentum dan tenaga. Semua ini diukur menggunakan pelbagai jenis pengesan yang mengelilingi tapak perlanggaran dalam lapisan sepusat.

Pengesan zarah boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: pengesan trek, yang mengukur trajektori zarah, dan kalorimeter, yang mengukur tenaga mereka. Pengesan trek cuba mengikuti pergerakan zarah tanpa memperkenalkan sebarang herotan. Kalorimeter, sebaliknya, mesti menyerap sepenuhnya zarah untuk mengukur tenaganya. Hasilnya ialah susun atur standard pengesan moden: beberapa lapisan pengesan trek terletak di dalam, dan beberapa lapisan kalorimeter terletak di luar, serta khas pengesan muon. Pandangan umum Pengesan moden biasa ditunjukkan dalam Rajah. 1.

Di bawah ini kami menerangkan secara ringkas struktur dan prinsip operasi komponen utama pengesan moden. Penekanan adalah pada beberapa prinsip pengesanan yang paling umum. Untuk pengesan khusus yang beroperasi pada Large Hadron Collider, lihat Pengesan di halaman LHC.

Pengesan jejak

Pengesan trek membina semula trajektori zarah. Mereka biasanya terletak di kawasan medan magnet, dan kemudian dengan kelengkungan trajektori zarah momentumnya boleh ditentukan.

Operasi pengesan trek adalah berdasarkan fakta bahawa zarah bercas terbang mencipta jejak pengionan - iaitu, ia mengetuk elektron daripada atom di sepanjang laluan pergerakannya. Dalam kes ini, keamatan pengionan bergantung pada jenis zarah dan bahan pengesan. Elektron bebas dikumpulkan oleh elektronik, isyarat yang melaporkan koordinat zarah.

Pengesan bucu

Vershinny(mikroverteks, piksel) pengesan ialah pengesan semikonduktor berbilang lapisan yang terdiri daripada plat nipis individu dengan elektronik digunakan terus padanya. Ini ialah lapisan paling dalam pengesan: ia biasanya bermula serta-merta di luar tiub vakum (kadangkala lapisan pertama dipasang terus pada dinding luar tiub vakum) dan menduduki beberapa sentimeter pertama dalam arah jejari. Silikon biasanya dipilih sebagai bahan semikonduktor kerana rintangan sinaran yang tinggi (lapisan dalam pengesan terdedah kepada dos sinaran keras yang besar).

Pada asasnya, pengesan bucu berfungsi dengan cara yang sama seperti matriks kamera digital. Apabila zarah bercas terbang melalui plat ini, ia meninggalkan kesan di dalamnya - awan pengionan bersaiz beberapa puluh mikron. Pengionan ini dirasai oleh unsur elektronik tepat di bawah piksel. Setelah mempelajari koordinat titik persilangan zarah dengan beberapa plat pengesan piksel berturut-turut, adalah mungkin untuk membina semula trajektori tiga dimensi zarah dan mengesannya kembali ke dalam paip. Melalui persimpangan trajektori yang dibina semula itu pada satu ketika di ruang angkasa, puncak- titik di mana zarah ini dilahirkan.

Kadang-kadang ternyata terdapat beberapa bucu seperti itu, dan salah satunya biasanya terletak terus pada paksi perlanggaran rasuk yang akan datang (bucu utama), dan yang kedua - pada jarak jauh. Ini biasanya bermakna bahawa proton berlanggar di puncak utama dan serta-merta menghasilkan beberapa zarah, tetapi sesetengah daripada mereka berjaya terbang beberapa jarak sebelum pecah menjadi zarah anak.

Dalam pengesan moden, ketepatan pembinaan semula puncak mencapai 10 mikron. Ini memungkinkan untuk merekodkan kes dengan pasti apabila bucu sekunder berada 100 mikron dari paksi perlanggaran. Tepat pada jarak inilah pelbagai hadron metastabil, yang mengandungi c- atau b-quark (yang dipanggil hadron "terpesona" dan "cantik" terbang. Oleh itu, pengesan puncak adalah instrumen yang paling penting bagi pengesan LHCb. tugas utama yang akan menjadi kajian hadron ini.

Peranti semikonduktor berfungsi pada prinsip yang sama. pengesan jalur mikro, di mana, bukannya piksel kecil, jalur nipis tetapi agak panjang bahan sensitif digunakan. Di dalamnya, pengionan tidak mendap serta-merta, tetapi bergerak di sepanjang jalur dan dibaca pada penghujungnya. Jalur direka bentuk sedemikian rupa sehingga kelajuan anjakan awan cas sepanjangnya adalah malar dan supaya ia tidak merebak. Oleh itu, mengetahui saat cas tiba pada elemen bacaan, adalah mungkin untuk mengira koordinat titik di mana zarah bercas menembusi jalur. Resolusi spatial pengesan jalur mikro adalah lebih teruk daripada pengesan piksel, tetapi ia boleh meliputi lebih banyak lagi O kawasan yang lebih besar, kerana mereka tidak memerlukan banyak bilangan yang besar elemen bacaan.

Kamera hanyut

Kamera hanyut- ini adalah ruang berisi gas yang diletakkan di luar pengesan trek semikonduktor, di mana tahap sinaran agak rendah dan ketepatan menentukan koordinat tidak diperlukan sehebat pengesan semikonduktor.

Ruang hanyut klasik ialah tiub berisi gas dengan banyak wayar yang sangat nipis diregangkan di dalamnya. Ia berfungsi seperti pengesan bucu, tetapi bukan pada plat rata, tetapi dalam jumlah. Semua wayar bertenaga, dan susunan mereka dipilih sedemikian rupa sehingga seragam medan elektrik. Apabila zarah bercas terbang melalui ruang gas, ia meninggalkan jejak pengionan spatial. Di bawah pengaruh medan elektrik, pengionan (terutamanya elektron) bergerak pada kelajuan tetap (ahli fizik mengatakan "hanyut") di sepanjang garis medan ke arah wayar anod. Setelah mencapai tepi ruang, pengionan segera diserap oleh elektronik, yang menghantar nadi isyarat ke output. Oleh kerana terdapat banyak elemen bacaan, menggunakan isyarat daripadanya adalah mungkin untuk membina semula dengan ketepatan yang baik koordinat zarah terbang, dan oleh itu trajektori.

Biasanya, jumlah pengionan yang dicipta dalam ruang gas oleh zarah yang berlalu adalah kecil. Untuk meningkatkan kebolehpercayaan pengumpulan dan rakaman caj dan mengurangkan ralat dalam pengukurannya, adalah perlu untuk menguatkan isyarat walaupun sebelum mendaftarkannya dengan elektronik. Ini dilakukan menggunakan rangkaian khas wayar anod dan katod yang diregangkan berhampiran peralatan membaca. Melepasi berhampiran wayar anod, awan elektron menghasilkan runtuhan salji di atasnya, akibatnya isyarat elektronik dikuatkan berkali-kali.

Lebih kuat medan magnet dan lebih besar saiz pengesan itu sendiri, lebih banyak trajektori zarah menyimpang dari garis lurus, yang bermaksud lebih pasti jejari kelengkungannya boleh diukur dan momentum zarah boleh dipulihkan dari sana. Oleh itu, untuk mengkaji tindak balas dengan zarah tenaga yang sangat tinggi, beratus-ratus GeV dan TeV, adalah wajar untuk membina pengesan yang lebih besar dan menggunakan medan magnet yang lebih kuat. Atas sebab kejuruteraan semata-mata, selalunya mungkin untuk meningkatkan hanya satu daripada kuantiti ini sehingga merugikan yang lain. Dua pengesan terbesar di LHC - ATLAS dan CMS - berbeza dengan tepat dalam kuantiti mana yang dioptimumkan. Pada pengesan ATLAS saiz yang lebih besar, tetapi medan yang lebih kecil, semasa dalam pengesan CMS medan yang lebih kuat, tetapi secara keseluruhan ia lebih padat.

Kamera unjuran masa

Jenis khas ruang hanyut adalah yang dipanggil kamera unjuran masa(VPK). Malah, kompleks perindustrian ketenteraan adalah satu besar, bersaiz beberapa meter, sel drift silinder. Medan elektrik seragam dicipta sepanjang keseluruhan isipadunya di sepanjang paksi silinder. Keseluruhan jejak pengionan berputar yang zarah tinggalkan apabila terbang melalui ruang ini secara seragam hanyut ke arah hujung silinder, mengekalkan bentuk spatialnya. Trajektori, seolah-olah, "diunjurkan" ke hujung ruang, di mana pelbagai elemen bacaan mencatatkan ketibaan caj. Koordinat jejari dan sudut ditentukan oleh nombor sensor, dan koordinat di sepanjang paksi silinder ditentukan oleh masa ketibaan isyarat. Terima kasih kepada ini, adalah mungkin untuk memulihkan gambar tiga dimensi pergerakan zarah.

Antara eksperimen yang beroperasi di LHC, pengesan ALICE menggunakan kamera unjuran masa.

Pengesan Periuk Rom

Terdapat jenis pengesan piksel semikonduktor khas yang berfungsi secara langsung di dalam paip vakum, berdekatan dengan rasuk. Mereka pertama kali dicadangkan pada tahun 1970-an oleh kumpulan penyelidik dari Rom, dan sejak itu mereka telah diberi nama Periuk Rom(“periuk Rom”)

Pengesan Periuk Rom telah direka untuk mengesan zarah yang telah dipesongkan pada sudut yang sangat kecil semasa perlanggaran. Pengesan konvensional yang terletak di luar tiub vakum tidak sesuai di sini hanya kerana zarah yang dipancarkan pada sudut yang sangat kecil boleh terbang sejauh beberapa kilometer di dalam tiub vakum, berpusing bersama-sama dengan rasuk utama dan tidak meninggalkan bahagian luar. Untuk mendaftarkan zarah tersebut, pengesan kecil perlu diletakkan di dalam tiub vakum merentasi paksi rasuk, tetapi tanpa menyentuh rasuk itu sendiri.

Untuk melakukan ini, dalam bahagian tertentu cincin pemecut, biasanya pada jarak ratusan meter dari titik perlanggaran rasuk yang datang, bahagian khas tiub vakum dengan "lengan" melintang dimasukkan. Ia mengandungi pengesan piksel kecil, bersaiz beberapa sentimeter, pada platform bergerak. Apabila rasuk baru disuntik, ia masih tidak stabil dan mempunyai getaran melintang yang besar. Pada masa ini, pengesan disembunyikan di dalam lengan baju untuk mengelakkan kerosakan akibat terkena langsung dari rasuk. Selepas rasuk menjadi stabil, pelantar memanjang dari lengannya dan mengalihkan matriks sensitif pengesan Periuk Rom ke dalam jarak dekat dengan rasuk, pada jarak 1-2 milimeter. Pada penghujung kitaran pemecut seterusnya, sebelum membuang rasuk lama dan menyuntik yang baru, pengesan ditarik balik ke tangan mereka dan menunggu sesi operasi seterusnya.

Pengesan piksel yang digunakan dalam Periuk Rom berbeza daripada pengesan bucu konvensional kerana ia memaksimumkan perkadaran permukaan wafer yang diduduki oleh unsur penderiaan. Khususnya, di pinggir plat yang paling hampir dengan rasuk, hampir tidak ada zon "mati" yang tidak sensitif ( "tanpa tepi"-teknologi).

Salah satu eksperimen di Large Hadron Collider, TOTEM, akan menggunakan beberapa pengesan ini. Beberapa lagi projek serupa sedang dalam pembangunan. Pengesan puncak eksperimen LHCb juga mengandungi beberapa elemen teknologi ini.

Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai pengesan ini dalam artikel periuk Rom untuk LHC daripada majalah CERN Courier atau dalam dokumentasi teknikal percubaan TOTEM.

Kalorimeter

Kalorimeter mengukur tenaga zarah asas. Untuk melakukan ini, lapisan tebal bahan padat (biasanya logam berat - plumbum, besi, loyang) diletakkan di laluan zarah. Zarah di dalamnya berlanggar dengan elektron atau nukleus atom dan, sebagai hasilnya, menghasilkan aliran zarah sekunder - mandi. Tenaga zarah asal diagihkan di antara semua zarah pancuran, supaya tenaga setiap zarah individu dalam pancuran ini menjadi kecil. Akibatnya, pancuran mandian terperangkap dalam ketebalan bahan, zarahnya diserap dan dimusnahkan, dan sebahagian kecil tenaga tertentu yang jelas dilepaskan dalam bentuk cahaya. Kilatan cahaya ini dikumpul di hujung kalorimeter oleh photomultipliers, yang menukarkannya kepada impuls elektrik. Di samping itu, tenaga pancuran boleh diukur dengan mengumpul pengionan dengan plat sensitif.

Elektron dan foton, melalui jirim, berlanggar terutamanya dengan kulit elektron atom dan menghasilkan pancuran elektromagnet - aliran sejumlah besar elektron, positron dan foton. Pancuran sedemikian berkembang dengan cepat kedalaman cetek dan biasanya diserap dalam lapisan bahan setebal beberapa puluh sentimeter. Hadron bertenaga tinggi (proton, neutron, pi-meson dan K-meson) kehilangan tenaga terutamanya melalui perlanggaran dengan nukleus. Dalam kes ini, pancuran hadron dihasilkan, yang menembusi lebih dalam ke dalam ketebalan bahan daripada yang elektromagnet, dan juga lebih luas. Oleh itu, untuk menyerap sepenuhnya pancuran hadron daripada zarah tenaga yang sangat tinggi, satu hingga dua meter bahan diperlukan.

Perbezaan dalam ciri pancuran mandian elektromagnet dan hadron digunakan secara maksimum dalam pengesan moden. Kalorimeter selalunya dibuat dengan dua lapisan: di dalamnya ada kalorimeter elektromagnet, di mana pancuran elektromagnet diserap terutamanya, dan di luar - kalorimeter hadronik, yang hanya boleh dicapai dengan pancuran mandian hadron. Oleh itu, kalorimeter bukan sahaja mengukur tenaga, tetapi juga menentukan "jenis tenaga" - sama ada ia berasal dari elektromagnet atau hadronik. Ini sangat penting untuk pemahaman yang betul tentang apa yang berlaku di pusat pengesan perlanggaran proton.

Untuk merakam pancuran secara optikal, bahan kalorimeter mesti mempunyai sifat kilauan. DALAM scintillator Foton dengan panjang gelombang yang sama diserap dengan sangat cekap, membawa kepada pengujaan molekul bahan, dan pengujaan ini dikeluarkan oleh pelepasan foton tenaga yang lebih rendah. Sintilator sudah telus untuk foton yang dipancarkan, dan oleh itu ia boleh mencapai pinggir sel kalorimetrik. Kalorimeter menggunakan scintillator piawai yang telah lama dipelajari, yang mana diketahui bahagian tenaga zarah asal yang ditukar menjadi denyar optik.

Untuk menyerap hujan dengan berkesan, perlu menggunakan bahan yang padat mungkin. Terdapat dua cara untuk menggabungkan keperluan ini dengan keperluan untuk scintillators. Pertama, anda boleh memilih scintillator yang sangat berat dan mengisi kalorimeter dengannya. Kedua, anda boleh membuat "sedutan" plat berselang-seli daripada bahan berat dan kilauan ringan. Terdapat juga pilihan yang lebih eksotik untuk membina kalorimeter, sebagai contoh, kalorimeter "spaghetti", di mana banyak gentian optik kuarza nipis tertanam dalam matriks dari penyerap besar-besaran A pancuran, berkembang sepanjang kalorimeter sedemikian, menghasilkan cahaya Cherenkov dalam kuarza. yang dikeluarkan melalui gentian optik ke hujung kalorimeter.

Ketepatan pembinaan semula tenaga zarah dalam kalorimeter bertambah baik dengan peningkatan tenaga. Untuk zarah dengan tenaga beratus-ratus GeV, ralat adalah tertib peratus untuk kalorimeter elektromagnet dan beberapa peratus untuk kalorimeter hadronik.

Bilik Muon

Ciri ciri muon ialah mereka kehilangan tenaga dengan sangat perlahan semasa mereka bergerak melalui jirim. Ini disebabkan oleh fakta bahawa, dalam satu tangan, mereka sangat berat, jadi mereka tidak dapat memindahkan tenaga dengan berkesan kepada elektron semasa perlanggaran, dan kedua, mereka tidak mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat, jadi mereka tersebar dengan lemah oleh nukleus. Akibatnya, muon boleh terbang beberapa meter jirim sebelum ia berhenti, menembusi tempat yang tidak boleh dicapai oleh zarah lain.

Ini, dalam satu tangan, menjadikannya mustahil untuk mengukur tenaga muon menggunakan kalorimeter (lagipun, muon tidak dapat diserap sepenuhnya), tetapi sebaliknya, ia memungkinkan untuk membezakan dengan jelas muon daripada zarah lain. Dalam pengesan moden bilik muon terletak di lapisan paling luar pengesan, selalunya di luar kuk logam besar yang mencipta medan magnet dalam pengesan. Tiub sedemikian bukan mengukur tenaga, tetapi momentum muon, dan boleh diandaikan dengan pasti bahawa zarah ini adalah muon, dan bukan apa-apa lagi. Terdapat beberapa jenis ruang muon yang digunakan untuk tujuan yang berbeza.

Pengenalpastian zarah

Soalan yang berasingan ialah pengenalan zarah, iaitu, mengetahui jenis zarah yang terbang melalui pengesan. Ini tidak akan menjadi sukar jika kita mengetahui jisim zarah, tetapi perkara ini yang biasanya kita tidak tahu. Di satu pihak, jisim boleh, pada dasarnya, dikira menggunakan formula kinematik relativistik, mengetahui tenaga dan momentum zarah, tetapi, malangnya, ralat dalam pengukuran mereka biasanya sangat besar sehingga mereka tidak membenarkan membezakan, contohnya, pi-meson daripada muon kerana kedekatannya dengan wt.

Dalam situasi ini, terdapat empat kaedah utama untuk mengenal pasti zarah:

  • Oleh tindak balas dalam pelbagai jenis kalorimeter dan dalam tiub muon.
  • Oleh pembebasan tenaga dalam pengesan trek. Zarah yang berbeza menghasilkan kuantiti yang berbeza pengionan setiap sentimeter laluan, dan boleh diukur dengan kekuatan isyarat daripada pengesan trek.
  • Dengan menggunakan kaunter Cherenkov. Jika zarah terbang melalui bahan lutsinar dengan indeks biasan n pada kelajuan yang lebih besar daripada kelajuan cahaya dalam bahan ini (iaitu, lebih besar daripada c/n), kemudian ia memancarkan sinaran Cherenkov dalam arah yang ditetapkan dengan ketat. Jika kita mengambil airgel sebagai bahan pengesan (indeks biasan biasa n= 1.03), kemudian sinaran Cherenkov daripada zarah yang bergerak pada kelajuan 0.99 c dan 0.995· c, akan berbeza dengan ketara.
  • Dengan menggunakan kamera masa penerbangan. Di dalamnya, menggunakan pengesan dengan resolusi masa yang sangat tinggi, masa laluan zarah di kawasan tertentu ruang diukur dan kelajuannya dikira dari ini.

Setiap kaedah ini mempunyai cabaran dan ketidakpastian tersendiri, jadi pengenalpastian zarah biasanya tidak dijamin betul. Kadangkala atur cara yang memproses data mentah daripada pengesan mungkin membuat kesimpulan bahawa muon melalui pengesan padahal sebenarnya ia adalah pion. Tidak mustahil untuk menghapuskan kesilapan sedemikian sepenuhnya. Apa yang tinggal ialah mengkaji dengan teliti pengesan sebelum operasi (contohnya, menggunakan muon kosmik), mengetahui peratusan kes pengecaman zarah yang salah, dan kemudian sentiasa mengambil kira apabila memproses data sebenar.

Keperluan untuk pengesan

Pengesan zarah moden kadang-kadang dipanggil "saudara besar" kamera digital. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa keadaan operasi kamera dan pengesan adalah berbeza secara radikal.

Pertama sekali, semua elemen pengesan mestilah sangat pantas dan sangat tepat disegerakkan antara satu sama lain. Pada Large Hadron Collider, pada kemuncaknya, tandan akan berlanggar 40 juta kali sesaat. Dalam setiap perlanggaran, kelahiran zarah akan berlaku, yang akan meninggalkan "gambar" mereka dalam pengesan, dan pengesan tidak boleh "tercekik" dengan aliran "gambar" ini. Akibatnya, dalam 25 nanosaat adalah perlu untuk mengumpul semua pengionan yang ditinggalkan oleh zarah terbang, mengubahnya menjadi isyarat elektrik, dan juga membersihkan pengesan, menyediakannya untuk bahagian zarah seterusnya. Dalam 25 nanosaat, zarah terbang hanya 7.5 meter, yang setanding dengan saiz pengesan besar. Semasa pengionan daripada zarah terbang sedang mengumpul di lapisan luar pengesan, zarah daripada perlanggaran seterusnya sudah terbang melalui lapisan dalamannya!

Keperluan utama kedua untuk pengesan ialah rintangan sinaran. Zarah asas yang berselerak dari tapak perlanggaran bekuan adalah sinaran sebenar, dan sangat keras pada itu. Sebagai contoh, jangkaan dos penyerapan sinaran mengion yang akan diterima oleh pengesan bucu semasa operasi ialah 300 kiloray ditambah dengan jumlah fluks neutron sebanyak 5·10 14 neutron per cm 2 . Di bawah keadaan ini, pengesan mesti berfungsi selama bertahun-tahun dan masih kekal dalam keadaan baik. Ini terpakai bukan sahaja kepada bahan pengesan itu sendiri, tetapi juga kepada elektronik yang dibungkus dengannya. Ia mengambil masa beberapa tahun untuk mencipta dan menguji elektronik tahan kerosakan yang akan beroperasi dalam keadaan yang keras sinaran sedemikian.

Keperluan lain untuk elektronik ialah pelesapan tenaga yang rendah. Tiada pengesan multimeter di dalamnya ruang kosong- setiap sentimeter padu isipadu diisi dengan peralatan yang berguna. Sistem penyejukan tidak dapat dielakkan menghilangkan isipadu kerja pengesan - lagipun, jika zarah terbang terus melalui paip penyejuk, ia tidak akan didaftarkan. Oleh itu, pelepasan tenaga daripada elektronik (yang bermaksud ratusan ribu papan dan wayar individu yang mengumpul maklumat daripada semua komponen pengesan) hendaklah minimum.

Bacaan lanjut:

  • K. Groupen. "Pengesan zarah asas" // Siberian Chronograph, Novosibirsk, 1999.
  • Pengesan Zarah (PDF, 1.8 MB).
  • Pengesan zarah // bab daripada alat bantu mengajar B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “Zarah dan nukleus. Eksperimen". M.: MSU Publishing House, 2005.
  • N. M. Nikityuk. Pengesan mikroverteks ketepatan (PDF, 2.9 Mb) // ECHAYA, v. 28, no. 1, hlm.191–242 (1997).

Kandungan artikel

PENGESAN ZARAH, instrumen untuk merekod zarah atom dan subatom. Untuk zarah dikesan, ia mesti berinteraksi dengan bahan pengesan. Pengesan yang paling mudah (“kaunter”) hanya merekodkan fakta bahawa zarah mengenai pengesan; yang lebih kompleks juga memungkinkan untuk menentukan jenis zarah, tenaganya, arah pergerakan, dsb.

Interaksi dengan bahan pengesan paling kerap datang ke proses pengionan - penyingkiran elektron daripada beberapa atom bahan pengesan, akibatnya mereka memperoleh cas elektrik. Sama ada pengionan itu sendiri atau fenomena yang berkaitan direkodkan - pelepasan cahaya, serta perubahan fasa atau kimia.

Interaksi zarah dengan jirim.

Melalui bahan, zarah berlanggar dengan atom bahan ini. Bilangan perlanggaran bergantung terutamanya pada cas elektrik dan kelajuan zarah. Jisim zarah dan sifat bahan itu sendiri hanya memainkan peranan sekunder. Dengan setiap perlanggaran, terdapat beberapa kemungkinan bahawa atom akan kehilangan elektron dan menjadi ion bercas positif. Oleh itu, zarah yang bergerak dalam bahan meninggalkan jejak elektron dan ion positif di belakangnya. Proses ini, dipanggil pengionan, ditunjukkan secara skematik dalam Rajah. 1. Contohnya, proton yang sangat laju (yang kelajuannya hampir dengan kelajuan cahaya) apabila bergerak di dalam air meninggalkan kira-kira 70,000 pasangan elektron dan ion positif di sepanjang setiap sentimeter laluannya. Pada masa yang sama dengan pengionan, atom berlanggar boleh mengeluarkan cahaya atau memperoleh momentum, yang membawa kepada pemanasan bahan dan rupa pelbagai jenis kecacatan di dalamnya. Mana-mana fenomena ini boleh digunakan dalam pengesan zarah.

JENIS-JENIS PENGESAN

Peranti pengionan.

Operasi ruang pengionan adalah berdasarkan pengumpulan (dalam bentuk arus elektrik) ion yang terbentuk apabila zarah bercas melalui ruang. Rajah peranti ditunjukkan dalam Rajah. 2. Arus elektrik yang terhasil daripada pengionan diberikan oleh

i = nq/t,

di mana n- bilangan ion yang terbentuk, q ialah cas elektrik bagi setiap ion, dan t– masa yang diperlukan untuk mengumpul ion. Arus boleh ditukar kepada penurunan voltan dengan menyahcas kapasitor yang dicas olehnya atau menghantarnya melalui perintang. Arus yang dihasilkan oleh zarah tunggal biasanya merupakan pecahan daripada mikroampere, dan penurunan voltan diukur dalam milivolt. Jumlah kehilangan tenaga zarah semasa ia melalui ruang diberikan oleh formula

E = nk,

di mana n ialah bilangan ion yang terbentuk, yang boleh ditentukan oleh kejatuhan arus atau voltan dalam ruang, dan k– tenaga purata yang diperlukan untuk membentuk sepasang ion. Magnitud k untuk gas biasa ialah kira-kira 30 eV (1 eV ialah tenaga yang diperolehi oleh elektron apabila melalui beza keupayaan pecutan 1 V.) Pembentukan pasangan ion adalah proses rawak, dan oleh itu turun naik dalam bilangan n pesanan . Semua kuantiti yang diukur berdasarkan bacaan meter juga akan menunjukkan turun naik, dan oleh itu ketepatan ukuran tersebut meningkat apabila tempohnya meningkat.

Keperluan utama untuk bahan sensitif peranti pengionan ialah ion yang dihasilkan oleh sinaran berkemungkinan mencapai elektrod pengumpul. Selain itu, bahan ini mestilah mempunyai kerintangan yang tinggi supaya tiada arus di dalamnya selain daripada yang berkaitan dengan pengionan. Gas, terutamanya gas lengai seperti helium dan argon, sangat sesuai untuk tujuan ini, tetapi dielektrik lain juga boleh digunakan. Analog keadaan pepejal kebuk pengionan adalah pengesan semikonduktor. Peranti serupa dengan hlm – n-peralihan ditunjukkan dalam Rajah. 3. Untuk mencipta peralihan, sejumlah kecil kekotoran tertentu dimasukkan ke dalam semikonduktor (biasanya kristal germanium atau silikon, yang dari segi kerintangan adalah perantaraan antara logam dan dielektrik). Disebabkan ini, medan elektrik timbul di kawasan peralihan, dan apabila medan luaran tambahan digunakan, kawasan habis terbentuk di mana tiada pembawa cas percuma yang diperlukan untuk mencipta arus elektrik. Tetapi jika zarah pengion melalui kawasan yang habis, pembawa bebas (elektron dan "lubang") muncul di dalamnya, pergerakannya menghasilkan arus. Purata tenaga yang diperlukan untuk membentuk sepasang pembawa cas dalam pengesan semikonduktor adalah lebih kurang 3 eV, manakala dalam pengesan gas ialah 30 eV. Akibatnya, dengan kehilangan tenaga yang sama, isyarat elektrik muncul dalam pengesan semikonduktor yang 10 kali lebih besar daripada isyarat dari kebuk pengionan. Sehubungan itu, ketepatan pengukuran kehilangan tenaga meningkat.

Pengesan semikonduktor dalam banyak cara serupa dengan diod semikonduktor, yang juga merupakan peranti semikonduktor dengan hlm – n-peralihan. Walau bagaimanapun, reka bentuk mereka mempunyai ciri tersendiri. Satu jenis pengesan biasa, pengesan penghalang permukaan, dibuat dengan mendepositkan lapisan nipis emas pada silikon atau germanium. Ia mempunyai bentuk plat bulat dengan diameter kira-kira 1 cm dengan lapisan penyusutan kurang daripada 1 mm tebal. Pengesan sedemikian digunakan untuk mengukur jumlah tenaga zarah yang sangat mengion, seperti zarah alfa dan proton tenaga rendah. Oleh kerana isyarat besar yang sepadan dengan satu peristiwa pengionan, peranti sedemikian mengukur tenaga zarah dengan lebih tepat daripada semua jenis pengesan lain. Di samping itu, saiznya yang kecil dan kemudahan pengendalian menjadikannya sesuai untuk eksperimen angkasa lepas.

Satu lagi jenis pengesan semikonduktor ialah pengesan hanyut litium dengan hlm – i – n- peralihan - dihasilkan melalui kaedah penyebaran ion litium ke dalam bahan semikonduktor (germanium atau silikon). Ini memungkinkan untuk mendapatkan kawasan yang habis setebal beberapa sentimeter dan mencipta pengesan dengan saiz yang jauh lebih besar daripada pengesan penghalang permukaan. Pengesan sedemikian digunakan untuk mengesan zarah tenaga tinggi, serta sinaran X dan sinaran gamma, yang berinteraksi secara agak lemah dengan jirim.

Kaunter berkadar dan kaunter Geiger.

Kelemahan serius pengesan semikonduktor dan ruang pengionan ialah arus rendah yang dicipta di dalamnya oleh zarah pengion. Ia sangat kecil sehingga penguat elektronik dengan keuntungan tinggi diperlukan untuk mengukurnya. Tetapi jika anda meningkatkan voltan tinggi pada ruang pengionan, elektron yang dihasilkan semasa pengionan primer akan memperoleh tenaga yang mencukupi untuk pengionan sekunder, yang akan membawa kepada peningkatan dalam isyarat. Pengesan yang beroperasi dalam mod ini dipanggil pembilang berkadar, kerana denyutan voltan yang diambil dari pembilang adalah berkadar dengan bilangan ion yang mula-mula muncul. Bilangan ion sekunder yang dihasilkan secara purata oleh setiap ion primer bergantung kepada kekuatan medan elektrik dalam kaunter. Dalam ruang selari satah, medan elektrik adalah seragam dan kekuatannya adalah sama dengan beza potensi antara plat dibahagikan dengan jarak antara mereka. Dalam geometri sedemikian sukar untuk mendapatkan medan intensiti tinggi yang diperlukan untuk pengionan sekunder. Dalam ruang dengan filamen pusat sebagai anod, dikelilingi oleh katod silinder, medan tidak sekata dan meningkat berhampiran anod. Dalam geometri ini, adalah mungkin untuk mencapai keuntungan beberapa ribu.

Apabila voltan merentasi pembilang berkadar meningkat, keuntungan isyarat tidak meningkat selama-lamanya. Pada satu ketika, isyarat pembilang tidak lagi berkadar dengan pengionan primer dan meningkat sedikit dengan peningkatan voltan. Peranti yang beroperasi dalam mod ini dipanggil kaunter Geiger. Reka bentuknya serupa dengan kaunter berkadar. Selain itu, adalah mungkin untuk membina pembilang yang akan beroperasi sama ada sebagai ruang pengionan, pembilang berkadar, atau pembilang Geiger bergantung pada voltan yang digunakan antara katod dan anod.

Nadi semasa yang berlaku dalam pembilang Geiger selepas laluan zarah bercas adalah serupa dengan nyahcas percikan elektrik. Seperti dalam peranti pengionan lain, sumbangan utama kepada arus dibuat oleh elektron. Ion positif yang terdapat dalam kuantiti yang banyak secara elektrik melindungi anod daripada katod dan dengan itu melemahkan medan yang bertindak ke atas elektron. Apabila arus meningkat, perisai meningkat dan ketepuan dicapai, mengehadkan arus maksimum. Pada masa yang sama dengan ketepuan, satu lagi proses berlaku - pengagihan pelepasan ke seluruh isipadu pembilang Geiger. Ia disebabkan oleh cahaya nyahcas, cahaya yang menghasilkan pengionan tambahan di kaunter disebabkan oleh kesan fotoelektrik. Di mana sahaja fotoionisasi berlaku, pelepasan baru berlaku. Akhirnya, isyarat tidak lagi bergantung kepada pengionan primer dan boleh mencapai 100 V. Oleh itu, nyahcas menguatkan isyarat utama lebih daripada sejuta kali.

Untuk memadamkan pelepasan di kaunter Geiger, langkah-langkah khas mesti diambil. Ia adalah mungkin untuk mengurangkan voltan luaran dan mengekalkannya di bawah paras di mana nyahcas yang stabil mungkin sehingga semua ion dikeluarkan dari isipadu pembilang. Cara yang lebih mudah adalah dengan memasukkan pasangan ke dalam kaunter, yang akan menyerap cahaya yang dipancarkan oleh nyahcas dan menghilangkan tenaga bukan disebabkan oleh kesan fotoelektrik, tetapi, sebagai contoh, disebabkan oleh pemisahan. Untuk melakukan ini, halogen gas biasanya ditambah (industri, sebagai peraturan, menghasilkan meter jenis ini).

Pembilang berkadar boleh digunakan untuk mengukur sinaran tenaga rendah seperti elektron atau sinaran x-ray. Kaunter Geiger hanya merekodkan rupa zarah. Dalam erti kata lain, dengan kehadiran sinaran jenis yang berbeza Pembilang Geiger hanya memberikan jumlah bilangan zarah yang melalui pengesan, manakala pembilang berkadar membenarkan sinaran dianalisis mengikut jenis dan tenaganya. Pengesan semikonduktor mempunyai keupayaan yang sama, seperti kebanyakan jenis pengesan lain yang dibincangkan di bawah.

Pembilang kilauan dan Cherenkov.

Pembebasan cahaya oleh sesetengah bahan apabila zarah bercas pantas melaluinya dipanggil kilauan. Cahaya yang dipancarkan mungkin menyumbang 5–10% daripada jumlah tenaga yang hilang oleh zarah. Pelepasannya - kes pencahayaan khas - ditentukan oleh struktur atom bahan yang dilalui zarah. Pembilang kilauan adalah berdasarkan merekodkan cahaya yang dipancarkan oleh medium semasa zarah melaluinya.

Pembilang kilauan moden, yang muncul sekitar tahun 1947, menggunakan tiub photomultiplier (PMT) untuk merekod kilauan, menukar kilat cahaya menjadi isyarat elektrik dan pada masa yang sama menguatkan isyarat ini. Pembilang kilauan dengan pengganda foto ditunjukkan secara skematik dalam Rajah. 4.

Apabila memilih bahan berkilauan, persoalan timbul untuk mengumpul cahaya dari kristal. Adalah diketahui bahawa bahan yang mengeluarkan cahaya dengan frekuensi tertentu menyerap cahaya dengan frekuensi yang sama. Oleh itu, dalam kristal yang sangat tulen, cahaya kilauan akan terus diserap dan dipancarkan semula oleh atom-atom kristal sehingga cahaya itu terlepas melalui permukaan kristal atau diserap sebagai haba. Yang terakhir ini paling kerap berlaku dalam kristal dengan saiz yang agak besar, dan atas sebab ini kristal tulen ternyata menjadi scintillator yang lemah. Keadaan bertambah baik dengan ketara dengan pengenalan kekotoran khas. Kekotoran mengaktifkan sedemikian, mengalihkan panjang gelombang, setelah menyerap cahaya, memancarkannya dengan beberapa lebih lama ombak, berkat yang ia boleh keluar. Daripada kristal tak organik, natrium dan sesium iodida yang diaktifkan oleh talium biasanya digunakan. Plastik teraktif dan cecair organik juga berjaya digunakan sebagai scintillator. Contoh biasa ialah polistirena teraktif para-terfenil. Beberapa kristal organik tulen juga digunakan.

Pembilang kilauan mempunyai beberapa kelebihan berbanding pengesan zarah lain. Bahan kilauan pepejal dan cecair adalah beribu-ribu kali lebih tumpat daripada gas yang digunakan dalam pembilang pengionan. Sehubungan itu, kehilangan tenaga zarah pengion per unit panjang dan isyarat meningkat dengan ketara. Di samping itu, PMT menyediakan penguatan isyarat utama yang tidak boleh dicapai menggunakan litar elektronik. Di samping itu, tempoh isyarat pada output pembilang kilauan boleh hanya 10-9 s, manakala yang terbaik adalah mungkin untuk mendapatkan isyarat dengan tempoh kira-kira 10-7 s dari kebuk pengionan.

Isyarat pada output pembilang kilauan, seperti peranti pengionan, adalah berkadar dengan tenaga yang hilang oleh zarah kejadian dalam bahan kilauan. Tenaga ini boleh mencapai beberapa ratus megaelektronvolt dan mewakili jumlah tenaga kinetik zarah yang jatuh. Isyarat dari kaunter juga boleh digunakan untuk mengukur selang masa antara kejadian zarah yang berbeza. Contohnya ialah pengukuran purata hayat zarah yang tidak stabil seperti hlm- atau KEPADA-meson. Intipati eksperimen adalah untuk merekodkan selang masa antara isyarat balas yang sepadan dengan kemasukan meson ke dalamnya dan isyarat yang sepadan dengan penampilan produk pereputan. masa hidup hlm-meson adalah lebih kurang 25H 10 –9 s, dan untuk mengukurnya dengan tepat anda memerlukan pembilang dengan masa tindak balas yang lebih pendek.

Pembilang kilauan digunakan secara meluas dalam eksperimen dengan pancaran zarah dalam pemecut tenaga tinggi. Rasuk sedemikian biasanya terdiri daripada tandan zarah, dan untuk mengasingkan zarah individu dalam tandan ini, "peleraian masa" tinggi (masa tindak balas yang singkat) yang disediakan oleh pembilang kilauan adalah perlu.

Menggunakan cecair dan plastik organik biasa sebagai bahan kilauan, adalah mungkin untuk menghasilkan pembilang dengan hampir semua saiz dan bentuk. Untuk eksperimen dengan sinar kosmik, di mana fluks zarah adalah sangat kecil, sistem pengesan gergasi dicipta yang mengandungi banyak bahan sensitif. Jumlah jirim yang sama besar digunakan untuk mengesan neutrino, zarah neutral yang kemungkinan berinteraksi dengan jirim adalah sangat rendah. Percubaan juga boleh menggunakan sistem bilangan besar pembilang kilauan individu. Dalam kes sedemikian, mereka sering melakukan peranan yang sama seperti kaunter Geiger, i.e. berfungsi sebagai penunjuk kehadiran zarah. Pembilang kilauan boleh menjadi lebih dipercayai daripada pembilang Geiger dan, terima kasih kepada peleraian masa yang tinggi, dapat mengesan dengan tepat fluks zarah yang lebih sengit.

Pembilang Cherenkov ialah pengesan yang mempunyai rupa yang serupa dengan pembilang kilauan. Ia mencatatkan sinaran Cherenkov yang dipanggil - cahaya yang dipancarkan oleh zarah bercas yang bergerak dalam medium pada kelajuan melebihi kelajuan cahaya dalam medium ini. Fenomena ini sama dengan gelombang kejutan yang berlaku di udara apabila peluru terbang lebih cepat daripada bunyi. Dalam mana-mana medium biasan, kelajuan cahaya adalah Dengan/n, Di mana Dengan– kelajuan cahaya dalam vakum (3H 10 8 m/s), dan n– indeks biasan medium. Oleh itu, dalam kaca, indeks biasannya ialah 1.5, kelajuan cahaya hanya 2H 10 8 m/s. Mana-mana zarah yang bergerak dalam kaca pada kelajuan yang lebih tinggi akan memancarkan sinaran Cherenkov. (Tiada percanggahan di sini dengan teori relativiti separa, mengikut mana kelajuan mana-mana zarah, tanpa mengira medium di mana ia bergerak, tidak boleh melebihi kelajuan cahaya dalam vakum.) Oleh itu, pembilang Cherenkov, bahan sensitif yang mempunyai indeks biasan n, akan bertindak balas terhadap zarah yang kelajuannya melebihi Dengan/n. Keamatan cahaya adalah berkadar dengan nilai (1 – v 2 /c 2 n 2), iaitu sifar pada kelajuan ambang Dengan/n dan cepat meningkat kepada nilai maksimum apabila kelajuan v zarah yang dikesan menghampiri kelajuan cahaya Dengan. Keanehan sinaran Cherenkov ialah ia tertumpu pada kon hadapan berbanding arah pergerakan zarah. Sudut pada puncak kon diberikan oleh ungkapan

cos q = v/cn.

Menggunakan pergantungan sudut pancaran pada kelajuan ini, adalah mungkin untuk mereka bentuk pembilang pada katod photomultiplier yang mana hanya sinaran zarah yang bergerak pada kelajuan tertentu akan difokuskan.

Keamatan kilat cahaya sinaran Cherenkov adalah kira-kira 100 kali lebih lemah daripada kilauan. Oleh itu, apabila memilih bahan sensitif untuk kaunter Cherenkov, seseorang perlu menghadkan dirinya kepada bahan di mana kilauan tidak berlaku. Biasanya ini adalah air dan plexiglass. Untuk mendaftarkan zarah dengan halaju yang menghampiri kelajuan cahaya, gas digunakan yang indeks biasannya sangat hampir dengan 1. Contohnya, pembilang Cherenkov dengan udara di tekanan atmosfera hanya akan bertindak balas kepada zarah dengan halaju sekurang-kurangnya 0.9997 Dengan.

Pergantungan isyarat kaunter Cherenkov pada kelajuan juga digunakan. Kemunculan isyarat menunjukkan laluan zarah bercas pada kelajuan melebihi ambang, dan litar dengan dua pembilang memungkinkan untuk mengenal pasti zarah yang terletak dalam julat kelajuan yang sempit. Ini memungkinkan untuk mengkaji spektrum zarah dengan kelajuan tinggi, dan bukan hanya mendaftarkan penampilan mereka. Isyarat keluaran pembilang kilauan, seperti mana-mana peranti pengionan, hampir malar untuk semua zarah dengan halaju melebihi 2H 10 8 m/s (0.67 kelajuan cahaya).

Pengesan neutron dan sinar gamma.

Instrumen pengionan, kilauan dan pembilang Cherenkov bertindak balas secara langsung hanya kepada zarah bercas. Zarah neutral, seperti neutron dan sinar gamma, mesti terlebih dahulu bertindak ke atas bahan tersebut agar zarah bercas timbul yang boleh bertindak balas oleh pembilang. Apabila sinaran gamma berinteraksi dengan jirim, elektron timbul disebabkan oleh kesan fotoelektrik, kesan Compton, atau penciptaan pasangan elektron-positron. Kesan fotoelektrik ialah proses terbalik pelepasan cahaya: kuantum gamma diserap oleh atom, dari mana elektron dipancarkan dengan tenaga yang sama seperti kuantum gamma, tolak tenaga mengikat elektron dalam atom. Kesan fotoelektrik adalah ketara pada tenaga gamma quanta kurang daripada kira-kira 1 MeV. Kesan Compton ialah penyerakan sinar gamma oleh elektron. Dalam kes ini, elektron tersingkir daripada atom dan memperoleh tenaga kinetik dalam julat dari sifar hingga hampir tenaga penuh kuantum gamma. Proses ini bermain peranan penting dalam kawasan tenaga urutan 1 MeV dan untuk bahan dengan nombor atom yang rendah, seperti karbon. Pengeluaran pasangan berlaku hasil daripada interaksi kuantum gamma dengan medan elektrik yang kuat berhampiran nukleus. Jumlah tenaga elektron dan positron yang baru dilahirkan (tenaga kinetik + tenaga rehat) adalah sama dengan tenaga kuantum gamma. Pengeluaran pasangan tidak berlaku pada tenaga di bawah 1 MeV. Pada tenaga yang lebih tinggi ia mendominasi, terutamanya dalam bahan dengan nombor atom yang tinggi seperti plumbum.

Tugas utama semasa mendaftarkan sinar gamma adalah untuk mencari bahan yang mudah menyerapnya dan pada masa yang sama sensitif terhadap elektron yang dipancarkan. Peranti pengionan agak sedikit sensitif kepada sinar gamma kerana ketumpatan rendah pengisian gas, walaupun sedikit sebanyak penukaran berlaku di dinding kaunter. Alat yang paling sesuai untuk merekod sinar gamma dan mengukur tenaganya ternyata adalah pembilang kilauan dengan kristal berketumpatan tinggi yang mengandungi unsur dengan nombor atom yang tinggi. Hablur natrium iodida yang agak kecil memberikan hampir 100% kecekapan dalam mengesan sinar gamma dalam julat tenaga yang luas. DALAM sama-sama Bahan kilauan lain juga sesuai. Pilihan mereka biasanya bergantung pada sinaran yang sedang dikaji. Kaunter Cherenkov juga digunakan untuk mendaftarkan sinar gamma, terutamanya di rantau tenaga tinggi. Dalam kes ini, kaca plumbum dan bromoform digunakan secara meluas sebagai pemancar Cherenkov.

Neutron ialah zarah nuklear tidak bercas, jadi ia berinteraksi dengan jirim hanya dalam perlanggaran langsung dengan nukleus atomnya. Apabila berlanggar dengan nukleus hidrogen (proton), neutron boleh memindahkan semua tenaganya kepada proton, yang, sebagai zarah bercas, boleh dikesan dengan cara biasa. Proses ini, dipanggil penyerakan elastik, digunakan secara meluas untuk mengesan neutron dengan tenaga melebihi kira-kira 0.1 MeV. Terima kasih kepada kandungan yang tinggi Plastik dan cecair kilauan hidrogen sesuai untuk mengesan neutron dengan kecekapan 10–20%. Kadangkala, di bawah pengaruh neutron, tindak balas nuklear berlaku dengan pelepasan zarah bercas atau sinar gamma. Sebahagian daripada tindak balas ini berkemungkinan besar, terutamanya pada tenaga neutron kira-kira 1 eV. Contohnya ialah tindak balas dengan boron, disertai dengan pelepasan zarah alfa. sebab tu kecekapan tinggi Pengesanan neutron disediakan oleh kaunter Geiger yang diisi dengan boron trifluorida. Satu lagi contoh tindak balas sedemikian ialah pembelahan nuklear. Ruang pengionan dengan lapisan dalaman bahan pembelahan, seperti uranium-235, digunakan. Berdasarkan ciri pembebasan tenaga besar pembelahan nuklear, neutron boleh dikesan dengan latar belakang zarah lain.

Pengesanan neutron selalunya rumit oleh kesukaran untuk memisahkan neutron daripada sinaran gamma. Pengesan neutron perlahan mempunyai kecekapan pengesanan neutron yang biasanya jauh lebih tinggi daripada sinaran gamma. Tetapi untuk pembilang kilauan yang digunakan untuk mengesan neutron pantas, kecekapan biasanya lebih kurang sama dalam kedua-dua kes. Neutron boleh dibezakan dengan bentuk nadi yang dikesan, kerana dalam kes neutron, nadi lebih luas dalam masa. Tetapi perbezaan ini adalah kecil dan elektronik yang agak kompleks diperlukan untuk mengesannya.

Bilik Wilson dan ruang gelembung.

Pada keadaan yang sesuai pengionan yang dihasilkan dalam bahan oleh zarah bercas boleh menyebabkan peralihan fasa di dalamnya. Ruang awan yang dipanggil menggunakan pemeluwapan cecair daripada wap. Peranti ini dicipta pada tahun 1912 oleh Charles Wilson, yang selama bertahun-tahun mengkaji fizik pembentukan awan di atmosfera. Wilson mendapati bahawa wap supertepu terpeluwap menjadi titisan di sekitar pusat nukleasi, iaitu ion positif dan negatif. Melewati wap tepu, zarah bercas meninggalkan jejak titisan di belakangnya. Dalam 1 ms, titisan membesar kepada saiz yang boleh dilihat.

Ruang gelembung telah dicipta dan diperbaiki pada awal 1950-an oleh D. Glaser. Berdasarkan analogi dengan ruang awan, dia menemui peralihan fasa yang berbeza, yang juga membolehkan seseorang untuk memvisualisasikan jejak zarah. Perantinya menggunakan cecair panas lampau yang mendidih berhampiran pusat nukleasi, iaitu ion. Apabila zarah melalui cecair sedemikian, ia meninggalkan jejak buih. Kedua-dua peranti ini membawa pencipta mereka Hadiah Nobel dan memberi peluang kepada penyelidik untuk hampir "secara peribadi" memerhati fenomena nuklear.

Bilik gelembung dan ruang awan membolehkan jejak zarah dilihat. Ini bermakna kedudukan zarah boleh ditentukan dengan ketepatan sehingga saiz titisan atau gelembung yang boleh dilihat, i.e. sehingga lebih kurang 1 mm. Kamera sering diletakkan dalam medan magnet. Ini membawa kepada kelengkungan trajektori zarah bercas, berkadar songsang dengan momentumnya. Dalam kes ini, zarah bercas positif terpesong ke satu arah, dan zarah bercas negatif - ke arah lain. Oleh itu, sebagai tambahan kepada gambaran spatial yang disediakan oleh peranti ini, mereka memungkinkan untuk mengukur momentum zarah dan menentukan tanda cajnya.

Emulsi nuklear.

Emulsi fotografi sebagai pengesan zarah agak serupa dengan ruang awan dan ruang gelembung. Mereka pertama kali digunakan oleh ahli fizik Inggeris S. Powell untuk mengkaji sinar kosmik. Emulsi fotografi ialah lapisan gelatin dengan butiran perak bromida yang tersebar di dalamnya. Di bawah pengaruh cahaya, pusat imej terpendam terbentuk dalam butiran bromida perak, yang menyumbang kepada pengurangan bromida perak kepada perak logam apabila dibangunkan dengan pembangun fotografi konvensional. Mekanisme fizikal untuk pembentukan pusat ini ialah pembentukan atom perak logam disebabkan oleh kesan fotoelektrik. Pengionan yang dihasilkan oleh zarah bercas memberikan hasil yang sama: jejak butiran tersensitisasi muncul, yang, selepas pembangunan, boleh dilihat di bawah mikroskop. Fluks besar sinaran mengion dan tidak mengion menyebabkan pengabusan emulsi, boleh dilihat dengan mata kasar, seperti dalam x-ray biasa.

Teknik emulsi nuklear paling menarik kerana ia agak padat. Emulsi, hampir sama seperti dalam gambar, dibekalkan dalam bentuk kepingan setebal 0.1 mm. Helaian kertas individu disusun dalam longgokan volum yang diperlukan (saiz biasa adalah kira-kira berpuluh-puluh sentimeter). Selepas penyinaran dalam aliran zarah, timbunan dipisahkan kepada helaian untuk pembangunan dan analisis. Oleh kerana kepekatan perak yang tinggi, ketumpatan emulsi fotografi agak tinggi, dan oleh itu kehilangan tenaga zarah pengion, walaupun dalam jarak yang agak pendek dalam emulsi, boleh mencapai ratusan megaelektronvolt. Jejak zarah hanya beberapa mikrometer lebar, membolehkan kedudukan zarah diukur dengan ketepatan yang lebih besar daripada ruang gelembung dan ruang awan. Ketumpatan surih (bilangan butiran hitam per unit panjang) adalah berkadar terus dengan pengionan yang dihasilkan oleh zarah yang jatuh dan, oleh itu, bergantung pada kelajuannya. Di samping itu, akibat daripada banyak perlanggaran dengan atom emulsi, trajektori zarah mempamerkan penyelewengan. Berdasarkan hasil pengukuran ketumpatan surih dan sisihannya, adalah mungkin untuk menentukan jisim zarah yang meninggalkan kesan, dan dengan itu mengenal pastinya. Dengan menggunakan ukuran yang sama, cas zarah boleh ditentukan. Beginilah cara nukleus besi bertenaga tinggi ditemui dalam sinar kosmik.

Bilik percikan.

Kebuk percikan ialah satu set plat pengalir selari yang dipisahkan oleh gas dan diasingkan secara elektrik antara satu sama lain. Zarah bercas yang melalui ruang menghasilkan ion dalam gas antara plat. Nadi yang terhasil mencetuskan litar luaran yang menghantar denyutan voltan tinggi kira-kira 10,000 V ke plat berselang-seli Pada masa ini denyutan ini digunakan, sepasang plat ruang bertindak sebagai pembilang Geiger, dan percikan api melompat di tempat di mana zarah itu berlalu. . Percikan api jelas kelihatan (dan boleh didengar).

Pengesan trek keadaan pepejal.

Apabila melalui jirim, zarah secara literal boleh "menolak" atom dalam laluannya dan meninggalkan jejak di belakangnya yang boleh dilihat dalam mikroskop elektron. Ini adalah kali pertama jejak seperti itu diperhatikan dalam mika. Jejak samar ini boleh dikesan oleh media agresif yang secara selektif menghakis bahan. Bangun zarah hanya berlaku jika ia mencipta banyak ion di sepanjang laluannya. Oleh itu, zarah nuklear seperti proton dan zarah alfa tidak meninggalkan kesan. Hanya jejak keseluruhan nukleus (contohnya, nukleus besi) dan serpihan pembelahannya akan kelihatan.

Kekhususan pengesan sedemikian ditentukan oleh kepekaan mereka terhadap zarah yang sangat berat, serta keupayaan mereka untuk mengekalkan kesan peristiwa yang berlaku pada zaman purba. Untuk mengkaji sinar kosmik, kepingan plastik besar dinaikkan pada belon stratosfera. Dengan cara ini, nukleus uranium dan unsur berat lain yang menembusi ke atmosfera bumi dengan sinaran kosmik primer telah direkodkan. Jejak dalam mineral membolehkan kita menentukan umur mereka dengan tepat. Kaedah ini digunakan untuk mengkaji batu bukan sahaja dari daratan, tetapi juga dari meteorit dan asal bulan.

Pengesan zarah, pengesan sinaran mengion dalam fizik zarah eksperimen, peranti yang direka untuk mengesan dan mengukur parameter zarah asas bertenaga tinggi, seperti sinar kosmik atau zarah yang dihasilkan semasa pereputan nuklear atau dalam pemecut.

Jenis utama [ | ]

ketinggalan zaman

Pengesan untuk perlindungan sinaran

Pengesan untuk fizik nuklear dan zarah

  • Kamera hodoskopik
  • Kaunter
  • Pengesan jejak
  • Penganalisis massa

Pengesan untuk eksperimen pada rasuk berlanggar[ | ]

Dalam fizik zarah, konsep "pengesan" merujuk bukan sahaja kepada pelbagai jenis penderia untuk mengesan zarah, tetapi juga kepada pemasangan besar yang dibuat berdasarkannya dan juga termasuk infrastruktur untuk mengekalkan fungsinya (sistem cryogenic, sistem penyaman udara, bekalan kuasa ), elektronik untuk membaca dan pemprosesan data primer, sistem bantu(contohnya, solenoid superkonduktor untuk mencipta medan magnet di dalam pemasangan). Sebagai peraturan, pemasangan sedemikian kini dibuat oleh kumpulan antarabangsa yang besar.

Memandangkan membina pemasangan yang besar memerlukan pelaburan kewangan yang besar dan usaha manusia, dalam kebanyakan kes ia digunakan bukan untuk satu tugas tertentu, tetapi untuk pelbagai ukuran yang berbeza. Keperluan utama untuk pengesan moden untuk eksperimen pemecut ialah:

Untuk masalah khusus, keperluan tambahan mungkin diperlukan, contohnya, untuk eksperimen mengukur pelanggaran CP dalam sistem B-mesons, resolusi koordinat dalam kawasan interaksi rasuk memainkan peranan penting.

Imej konvensional pengesan universal berbilang lapisan untuk pemecut menggunakan rasuk berlanggar.

Keperluan untuk memenuhi syarat ini membawa kepada reka bentuk pengesan berbilang lapisan sejagat yang tipikal hari ini. Dalam kesusasteraan bahasa Inggeris, skema seperti itu biasanya dibandingkan dengan struktur seperti bawang. Dalam arah dari pusat (kawasan interaksi rasuk) ke pinggir, pengesan biasa untuk pemecut rasuk berlanggar terdiri daripada sistem berikut:

Sistem trek[ | ]

Sistem penjejakan direka untuk merekodkan trajektori zarah bercas: koordinat kawasan interaksi, sudut berlepas. Dalam kebanyakan pengesan, sistem penjejakan diletakkan dalam medan magnet, yang membawa kepada kelengkungan trajektori zarah bercas dan memungkinkan untuk menentukan momentum dan tanda casnya.

Sistem pengesanan biasanya berdasarkan pengesan silikon semikonduktor.

Sistem pengenalan[ | ]

Sistem pengenalan membolehkan anda memisahkan pelbagai jenis zarah bercas. Prinsip operasi sistem pengenalan paling kerap terdiri daripada mengukur kelajuan laluan zarah dalam salah satu daripada tiga cara:

Bersama-sama dengan mengukur momentum zarah dalam sistem penjejakan, ini memberikan maklumat tentang jisim, dan, akibatnya, tentang jenis zarah.

Kalorimeter [ | ]

Senarai pengesan yang berfungsi atau dalam pembinaan untuk pemecut rasuk berlanggar[ | ]

Permohonan[ | ]

Sebagai tambahan kepada eksperimen saintifik, pengesan zarah asas juga digunakan dalam tugas terpakai - dalam bidang perubatan (mesin sinar-X dengan dos sinaran rendah,

Pengesan zarah "sebenar", seperti yang terdapat di Large Hadron Collider, menelan belanja berjuta-juta dolar dan berat ratusan tan, tetapi kami akan cuba bertahan dengan bajet yang lebih sederhana.

Kami akan memerlukan:

  • ais kering (kira-kira 80 rubel sekilogram, adalah dinasihatkan untuk membeli bekas haba buih untuk 300 rubel lagi - jika tidak, semua yang anda beli akan menguap terlalu cepat). Anda tidak memerlukan banyak ais kering, sekilogram sudah cukup;
  • isopropil alkohol (kos 370 rubel setiap 0.5 liter, dijual di kedai radio);
  • sekeping felt (kedai jahit, kira-kira 150 rubel);
  • gam untuk melekatkan rasa ke bahagian bawah bekas ("Moment", 150 rubel);
  • bekas telus, contohnya akuarium plastik dengan penutup (kami membeli bekas makanan yang diperbuat daripada plastik keras untuk 1.5 ribu rubel);
  • pendirian untuk ais kering, ini boleh menjadi kuvet fotografi (terdapat di dapur editorial);
  • lampu suluh.

Jadi mari kita mulakan. Mula-mula anda perlu melekatkan sekeping kain ke bahagian bawah bekas dan tunggu beberapa jam untuk gam kering. Selepas ini, felt perlu direndam dalam isopropil alkohol (berhati-hati agar alkohol tidak masuk ke mata anda!). Adalah dinasihatkan bahawa kain itu tepu sepenuhnya dengan alkohol, yang selebihnya mesti dikeringkan. Kemudian anda perlu tuangkan ais kering ke bahagian bawah kuvet, tutup bekas dengan penutup dan letakkan di dalam ais kering dengan penutupnya ke bawah. Sekarang anda perlu menunggu sehingga udara di dalam ruang tepu dengan wap alkohol.

Prinsip pengendalian ruang awan (juga dikenali sebagai "ruang kabus") ialah walaupun impak yang sangat lemah menyebabkan wap alkohol tepu terpeluwap. Akibatnya, walaupun kesan zarah kosmik menyebabkan wap terpeluwap, dan rantaian titisan mikroskopik - jejak - terbentuk di dalam ruang.

Anda boleh menonton percubaan dalam video kami:


Beberapa nota dari pengalaman: anda tidak sepatutnya membeli terlalu banyak ais kering - ia akan menguap sepenuhnya dalam masa kurang dari sehari, walaupun dari bekas terma, dan anda tidak mungkin menemui peti sejuk industri. Penutup bekas lutsinar perlu berwarna hitam, sebagai contoh, anda boleh menutupnya dari bawah dengan kaca hitam. Trek akan kelihatan lebih baik pada latar belakang hitam. Anda perlu melihat dengan tepat bahagian bawah bekas, kabus ciri terbentuk di sana, serupa dengan hujan renyai-renyai. Dalam kabus inilah jejak zarah timbul.

Apakah trek yang boleh anda lihat:

Ini bukan zarah kosmik. Jejak pendek dan tebal adalah kesan zarah alfa yang dipancarkan oleh atom radon gas radioaktif, yang terus bocor dari perut Bumi (dan terkumpul di kawasan yang tidak berventilasi).

Lintasan yang panjang dan sempit ditinggalkan oleh muon, saudara elektron yang berat (dan berumur pendek). Ia dihasilkan dalam jumlah besar di atmosfera atas apabila zarah tenaga tinggi berlanggar dengan atom dan menghasilkan pancuran zarah, kebanyakannya terdiri daripada muon.

Trajektori melengkung adalah tanda elektron atau antizarahnya, positron. Ia juga dihasilkan oleh sinar kosmik, berlanggar dengan molekul udara dan boleh bergerak secara zigzag.

Jika anda melihat jejak bercabang, maka anda bertuah: anda telah menyaksikan pereputan satu zarah kepada dua.


Adakah anda menyukainya? Langgan N+1 dalam