microbik.ru
1



1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1.10. Источники и методы регистрации частиц

1.10. Источники и методы регистрации частиц
1.10.1. Источники заряженных частиц. Ускорители. Источники γ-квантов. Источники нейтронов.

Способом исследования ядер и элементарных частиц является изучение распадов ядер и частиц, осуществление столкновений частиц и ядер с последующей регистрацией вылетающих частиц. Для столкновений необходимо:

1. Создавать пучки частиц высоких энергий.

2. Приготовлять мишени с ядрами или частицами.

3. Регистрировать требуемые характеристики частиц.

Мишени состоят из ядер и частиц, которые достаточно долго живут и входят в состав макротел. Чисто нейтронных мишеней нет. Мишени бывают твердые, жидкие и газообразные. Например, газовая струя тоже мишень.
Источники заряженных частиц

К источникам элементарных частиц и ядер относятся

- Естественные радиоактивные препараты – источники α-частиц, β-частиц, электронов, позитронов, γ-квантов. нейтронов.

- Ускорители – источники заряженных частиц и ядер.

- Ядерные реакторы – мощные источники нейтронов и γ-квантов

- Космические лучи.

Радиоактивные источники . Исторически первыми источниками альфа-. бета-частиц и гамма-лучей с энергиями до нескольких МэВ были радиоактивные препараты, содержащие естественные радиоактивные ядра. Радиоактивные препараты дают частицы с энергиями, как правило, ниже энергий большинства ядерных реакций. Они используются для исследования самого явления радиоактивности и для прикладных целей. Характеристики радионуклидов как излучателей приведены в таблицах.
Ускорители заряженных частиц

Ускорители – установки для получения заряженных частиц (электронов, протонов, ионов, атомных ядер) в виде пучка частиц высоких, средних и низких энергий. Частицы движутся в вакуумной камере. Ускорение частиц производится электрическим полем. Управление движением, формированием пучка и траектории – магнитным полем. В настоящее время ускорители являются единственными источниками заряженных частиц, которые используются для осуществления ядерных реакций и реакций с элементарными частицами. По типу ускоряемых частиц ускорители делятся на два больших класса: электронные ускорители и протонные ускорители. Ионных ускорителей значительно меньше.
Источники γ-квантов высоких энергий

Для получения пучка γ-квантов высокой энергии электронный пучок направляют на тугоплавкую мишень, из которой вылетает пучок γ-квантов. Это пучок γ-квантов тормозного излучения хорошо коллимирован и имеет достаточную интенсивность. К сожалению, энергетический спектр непрерывный от 0 до Еγмах. Мощным источником γ-квантов являются ядерные реакторы. Большинство электронных ускорителей используются как источники синхротронного γ-излучения.
Источники нейтронов

Во всех источниках нейтроны образуются в результате ядерных реакций. Характеристики источников нейтронов:

- Интенсивность (число нейтронов в 1 сек).

- Энергетическое и угловое распределение (спектр).

- Степень поляризации нейтронов источника.

- Режим испускания (непрерывный или импульсный).

Радиоизотопные источники нейтронов. Пример: Смесь порошков бериллия и α-активного нуклида. В реакции  образуются -частицы с энергией Еα=5,305 МэB, которые в реакции  +5,6 МэB выбивают нейтроны с энергией Еn от 0,5 МэB до 10 МэB. Выход реакции 3.106 нейтрон/сек на 1 кюри полония (1 Kи = 3,7.1010 расп/ сек). Имеется высокий уровень сопровождающего γ-излучения.

Ускорительные источники нейтронов. Ядра дейтерия, ускоренные до энергии 2 кэВ, бомбардируют мишень, содержащую тритий. В результате реакции  образуются практически моноэнергетические нейтроны с энергией Еn =14 МэВ. Выход нейтронов 107÷1013 нейтрон /сек.

Ядерные реакторы испускают 5.1016 нейтронов/сек на каждый мегаватт мощности реактора. Средняя энергия нейтронов деления в реакторе ~ 2 МэВ. В результате замедления нейтронов в конструкционных элементах и замедлителе спектр нейтронов из реактора сильно обогащен тепловыми нейтронами с энергией ~ 0,06 эВ.
Космические лучи

Уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, не доступных современным ускорителям. являются космические лучи. Космические лучи – это поток заряженных частиц высокой энергии, приходящих к Земле изотропно со всех направлений космического пространства. Важной особенностью космических лучей составляет нетепловое происхождение их энергий, достигающих в максимуме 1011 ГэВ. Поток первичных космических лучей, падающих на границу атмосферы, составляет ~ 1 частицу/см2сек. Состав космических лучей: протоны ~90%, ядра гелия ~7%, ядра элементов (10 < Z < 30) ~1%, электроны <1% с энергией 1 ГэВ и γ-кванты с интенсивностью ~10 фотон/м2сек и энергией 50 МэВ. Солнечные космические лучи в среднем имеют энергию < 400 МэВ и интенсивность при вспышке на Солнце ~106 част/см2сек. Более подробно см. п.2.11.3.
1.10.2. Методы регистрации частиц. Детекторы. Трековые детекторы. Ядерные фотоэмульсии. Пузырьковые камеры. Камера Вильсона. Электронные детекторы. Счетчики заряженных частиц и -квантов. Гамма-спектрометры и нейтронные детекторы
Детекторы

Детекторы – приборы для регистрации частиц. Действие детекторов основано на различных процессах взаимодействия частиц с веществом. Основные процессы, котороые вызываются заряженными частицами: ионизация, возбуждение атомов и молекул, возбуждение черенковского излучения, возбуждение переходного излучения релятивистской частицы при переходе её через границы двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями и .

Нейтральные частицы (нейтроны, -мезоны, -кванты и др.) образуют вторичные заряженные частицы. Например, -кванты образуют электроны в фотоэффекте и Комптон-эффекте, или рождают электрон-позитронные пары. Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным продуктам ядерных реакций – ядрам, протонам, мезонам. Медленные нейтроны регистрируются по -излучению ядер, которые их захватывают.

Детекторы делятся на два класса – трековые и электронные. В трековых детекторах прохождение заряженной частицы регистрируется в виде пространственной картины следа (трека) этой частицы в веществе детектора. Картина фотографируется или регистрируется электронными устройствами. В электронных детекторах прохождение частицы вызывает появление импульса электрического тока, который используется для регистрации и управления различными процессами.

Основными характеристиками детекторов являются:

1. Эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объем детектора). Эффективность – число зарегистрированных частиц / полное число частиц, пролетевших через детектор.

2. Пространственное разрешение (точность локализации места прохождения частицы), измеряется в см.

3. Временное разрешение – минимальное время между прохождением двух частиц, которые регистрируются как отдельные события, измеряется в сек.

4. Мертвое время – интервал времени после регистрации частицы, в течение которого детектор остается нечувствительным.

5. Разрешающая способность по энергии.

6. Уровень шумов.
Трековые детекторы

К трековым детекторам относятся ядерные фотоэмульсии, пузырьковые камеры. искровые камеры, камера Вильсона. В ядерной фотоэмульсии проходящая заряженная частица вызывает ионизацию солей серебра и создает центры скрытого изображения. После проявления эмульсии трек предстает в виде цепочки зерен металлического серебра. Размер зерен ~ 1 мкм. Пространственное разрешение черезвычайно высокое. Временное разрешение отсутствует.

Пузырьковая камера наполняется прозрачной жидкостью, которая переводится в перегретое состояние (но не кипит). Ионы, образующиеся вдоль трека заряженной частицы – это центры, на которых растут пузырьки пара. Пока пузырьки имеют размер 1 мм, их освещают импульсным источником света и фотографируют. Камеру помещают в магнитное поле для измерения знака импульса заряженной частицы. Камера обладает высоким пространственным разрешением.

В искровой камере на некотором расстоянии друг от друга находятся электроды в газе. В момент прохождения заряженной частицы через газ подается высокая разность потенциалов ~ 5–10 кВ/см. По треку частицы в газе возникает последовательность искр. Цепочки искр фотографируют.

Камера Вильсона – старейший прибор для наблюдения заряженных частиц был изобретен в 1912 г. После адиабатического расширения в камере возникает чистый перенасыщенный пар, который не конденсируется. При прохождении заряженной частицы, вдоль её трека образуются ионы, которые являются центрами конденсации капелек жидкости. Трек фотографируют в магнитном поле. После сжатия поршнем происходит очистка камеры и возврат в рабочее состояние. Так были открыты позитроны, мезоны, гипероны. Недостатком является малая концентрации газообразного вешества камеры.
Электронные детекторы

Ионизационная камера содержит объем газа с размещенными в нем двумя электродами, между которыми приложено напряжение. Заряженная частица, проходя через газ, образует ионы и электроны, которые собираются на электродах, при этом создается электрический ток во внешней цепи. К достоинствам относится простота и надежность. Недостатком является малый уровень сигнала.

Пропорциональный счетчик – газоразрядный детектор частиц, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии выделенной в его объеме регистрируемой частицей. Анод выполнен в форме тонкой нити внутри катода – металлического полого цилиндра. При постоянной разности потенциалов и постоянном составе газа, коэффициент пропорциональности между первичной ионизацией и силой электрического тока анода остается постоянным. Первичная ионизация газа электронами усиливается в 103–105 раз за счет вторичной ионизации атомов газа электронами, ускоренными в электрическом поле между анодом и катодом.

Счетчик Гейгера-Мюллера – детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного разряда в газе, находящемся внутри счетчика, при попадании частиц в его объем. Конструктивно устроен как пропорциональный счетчик. Достоинством является простота и надежность. Недостатком является большое мертвое время.

Дрейфовая камера – прибор для определения координат прохождения ионизирующей частицы. Измеряется время дрейфа электронов – продуктов ионизации в газе от места прохождения частицы до сигнальной проволоки. Камера разделена рядами параллельных проволок на прямоугольные ячейки – дрейфовые промежутки. (см. рис. 1.21). На сигнальную проволоку (анод), которая в центре проволочной ячейки, подается положительный потенциал . На проволоки, расположенные по верху и низу дрейфового промежутка, подается отрицательный потенциал (), равномерно распределенный от 0 до , создающий однородное электрическое поле вдоль дрейфового промежутка. Сигнал прохождения частицы (стартовый сигнал) задается внешним детектором. Сигнал окончания дрейфа вырабатывается электронами, размножающимися в газе лавинным образом вблизи анода (газовое усиление). Скорость дрейфа определяется калибровочными измерениями. Зная интервал времени между стартовым и конечным сигналами, определяют координату проходящей частицы . Дрейфовая камера заключается в герметичную оболочку, которая заполняется газовой смесью обычно аргоном Ar с примесью многоатомного газа (изобутан, СО2). Размер проволочных ячеек обычно 1мм . Пространственное разрешение небольших дрейфовых камер ~ 1м2 составляет ~ 0,1 мм.

В нейтринном эксперименте в ЦЕРНе использовались дрейфовые камеры площадью 14 м2 для локализации мюонов с точностью до 1мм. Дрейфовые камеры являются координатными детекторами. Они способны регистрировать полную картину сложного многочастичного события, подобно пузырьковой камере, и широко используются в экспериментах на ускорителях для определения места прохождения, угла вылета, импульсов заряженных частиц (по отклонению в магнитном поле).

Рис. 1.21. Схема дрейфовой камеры. Точки – проволочки в сечении. Черточки – отрицательный заряд на проволочках
Сцинтилляционный счетчик – детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Счетчик состоит из сцинтиллятора, световода – фотоэлектронного умножителя, дискриминатора, пересчетного устройства, регистратора.

Заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, ионизирует и возбуждает атомы и молекулы. Возбужденные атомы и молекулы испускают фотоны. Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны, которые, пройдя через систему динодов, дают на аноде импульс электрического тока. Сцинтилляторы характеризуются конверсионной эффективностью – долей энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию. Параметры сцинтилляторов приведены в табл.1.10.
Параметры сцинтилляторов Таблица 1.10

Кристаллы

Плотность,

г/см3

Время

высвечивания,

10-9 сек

Длина волны



Конверсионная

эффективность

η, %

NaI(Tl)

3,67

250

4100

6

ZnS(Ag)

4,09

11

4500

10

Cs(Tl)

4,5

700

5600

2


Нейтронные детекторы – приборы для регистрации и определения энергетического спектра нейтронов. Нейтроны не обладают электрическим зарядом и не оставляют после себя следов (треков) из ионизированных частиц. Поэтому нейтронные детекторы всегда содержат вещество, называемое радиатором или конвертором, ядра которого при взаимодействии с нейтронами порождают заряженные частицы или -кванты. Нейтронные детекторы используют: упругое рассеяние нейтронов на ядрах, ядерные реакции с вылетом заряженных частиц, деление ядер под действием нейтронов, радиационный захват нейтронов с вылетом -квантов.

Нейтронные детекторы, использующие упругое рассеяние нейтронов на ядрах , – это пропорциональные счетчики с наполнением водородом, метаном, гелием при давлении в несколько атмосфер. Их эффективность мала =10-2–10-4 при энергии нейтронов ~0.01–20 МэВ.

Для детектрирования нейтронов больших энергий используют сцинтилляционные детекторы с органическими сцинтилляторами. содержащими много водорода. в которых пробеги протонов отдачи велики (больше 10 см).

В нейтронных детекторах обычно используют три ядерные реакции с вылетом заряженных частиц (см. табл. 1.11).
Ядерные реакции в нейтронных детекторах Таблица 1.11

Реакция

Символ

Сечение,

барн

Энергия заряженной

частицы, МэВ





5,33

0,764





940

4,785





3837

2,791 7%

2,313 93%


Ядра  вводят внутрь газоразрядных счетчиков или сцинтилляторов. Нейтронные детекторы с  при давлениях меньших 10 атм, имеют эффективность около 100% для тепловых нейтронов.

Нейтронные детекторы, использующие деление ядер под действием нейтронов, – это камеры деления - ионизационные камеры, покрытые тонким слоем делящихся веществ (урана и плутония). Сечение деления барн для , для  сечение барн. Эффективность камер деления низкая , поэтому они используются для детектирования интенсивных потоков нейтронов, в системах управления ядерными реакторами.

Нейтронные детекторы, использующие радиационный захват нейтронов, имеют радиатор, содержащий ядра с большим сечением реакции , окруженный сцинтилляционными счетчиками для -лучей. Радиационный захват нейтронов стабильными ядрами при любых энергиях нейтронов сопровождается мгновенным -излучением. Нейтроны с энергией кэВ детектируются по мягким -лучам с энергией кэВ в реакции для толстых радиаторов ~1%. Для резонансных нейтронов удобен нейтронный детектор с радиатором, содержащим смесь ядер лантаноидов с большим сечением и с небольшим количеством воды для замедления.

Гамма спектрометр – прибор для измерения энергии -квантов и интенсивности -излучения. Основными характеристиками являются разрешающая способность , где - ширина -линии на полувысоте. – энергия регистрируемых моноэнергетических -квантов, эффективность= число зарегистрированных -кваантов/общее число -квантов, попадающих в детектор.

Сцинтилляционный -спектрометр – комбинация ФЭУ и сцинтиллятора. Для -квантов до 1 МэВ применяют сцинтиллятор из NaI(Tl) с разрешающей способностью ~4–5% при энергии гамма-квантов ~ 1,3 МэВ.

Полупроводниковый -спектрометр содержит монокристалл с p-n переходом. С двух сторон на монокристалл наносятся металлические электроды, на которые подается напряжение обратной полярности. Под действием -квантов создаются электронно-дырочные пары. С помощью приложенного электрического поля электроны и дырки выводятся из области обедненного слоя. Возникающий в результате электрический импульс обратного тока p-n перехода усиливается и регистрируется анализатором. На образование одной пары электрон-дырка требуется 3 эВ, а в газах – 30 эВ, поэтому при при той же потере энергии образуется в 10 раз больше носителей и эффективность возрастает.

При энергии =1,33 МэВ и ширине кэВ, эффективность полупроводниковых детекторов ниже, чем у сцинтилляционных детекторов.