3. Приборы ядерной физики

    Детекторы. Результаты любого эксперимента определяются возможностями детекторов, которые используются для регистрации ядерных процессов. История ядерной физики – это история создания новых методов регистрации частиц и постоянного совершенствования уже надежно зарекомендовавших себя детекторов. Создание новых методов детектирова­ния частиц нередко отмечалось Нобелевскими премиями.
    Первые детекторы создавались для того, чтобы можно было изучать изменения, происходящие в отдельных атомах вещества. Для этого Э.Резерфордом с сотрудниками было разработано два метода, с помощью которых можно было регистрировать отдельные α-частицы:

• Метод сцинтилляций, позволяющий наблюдать вспышки от удара отдельной α частицы в сцинтиллирующие экраны. Одним из первых детекторов α-частиц был экран, покрытый сернистым цинком. Метод счета сцинтилляций был использован Гейгером и Марсденом в эксперименте по рассеянию α-частиц на тонких золотых фольгах, который привел к открытию атомного ядра.
• Гейгером был разработан метод газоразрядного счетчика. При прохождении заряженной частицы в счетчике возникал электрический разряд, который можно было зарегистрировать электронными устройствами. Электронные методы счета частиц значительно повысили точность и надежность наблюдений, избавили от утомительного чисто субъективного визуального метода регистрации сцинтилляций. Возможности проведения различных экспериментов расширились в результате разработанного В.Боте метода совпадений.

    Первым прибором, в котором можно было наблюдать следы заряженных частиц, была изобретенная в 1912 г. Ч. Вильсоном камера, названная его именем. Действие камеры Вильсона основано на конденсации пара в виде мелких капелек жидкости на ионах, образованных пролетающей через камеру заряженной частицей. Возникающий след капелек жидкости можно увидеть и сфотографировать. Тип частицы, следы которой наблюдают в камере Вильсона, определяется по величине пробега и импульсу частицы. Эксперименты с камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле, выполненные П. Капицей и Д. Скобельцыным, значительно расширили знания о ядерных процессах, происходящих как под действием радиоактивных источников, так и под действием космических лучей.
    С помощью камеры Вильсона был сделан ряд фундаментальных наблюдений, сыгравших важную роль в понимании процессов, происходящих в микромире, – впервые наблюдалось расщепление атомных ядер, были открыты позитрон, мюон, переносчик ядерного взаимодействия π мезон и другие частицы, изучена природа космического излучения.
    Впервые возможность регистрации ядерных излучений фотографическим методом использовал А. Беккерель, открывший с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Эффективно этот метод начал использоваться после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым слоем эмульсии. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы вдоль траектории движения. После проявления эмульсии по характеру следа можно идентифицировать частицу. С помощью ядерных фотоэмульсий впервые наблюдались многие частицы в составе космических лучей.
    Современные детекторные системы, как правило, представляют собой комбинацию различных типов детекторов, число которых может составлять несколько тысяч включенных в логические системы совпадений и антисовпадений импульсов отдельных детекторов.

Фотография в фотоэмульсии расщепление ядра углерода
при захвате π-мезона.

Схема детектора, с помощью которого Райнес и Коуэн обнаружили реакторное антинейтрино. + p → n + e-

Счетчик Гейгера

1 − герметически запаянная стеклянная трубка; 2 − катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 − вывод катода; 4 − анод (тонкая натянутая нить).

Камера Вильсона

Сцинтиллятор и фотоумножитель

Детектор ATLAS Большого Адронного Коллайдера

1924 г. В. Боте разработал метод совпадений

Вальтер Боте (1891-1957)

    Исследования квантовых свойств частиц, проблема дуализма волна-частица была одним из приоритетных направлений первой четверти XX века. Эксперименты Комптона убедительно показали, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах вещества, так как если бы рентгеновские лучи были потоком частиц. Существовала проблема выполнения законов сохранения энергии и импульса в каждом акте взаимодействия. Существовало предположение, что они выполняются лишь при усреднении по большому числу взаимодействий. Для проверки этой гипотезы, используя два счетчика Гейгера, Боте создал метод одновременной регистрации рассеянного рентгеновского фотона и электрона, образующихся в результате эффекта Комптона – метод совпадений. В результате было показано, что законы сохранения выполняются в каждом акте взаимодействия. В 1930 г. Боте исследуя взаимодействие α-частиц с мишенью из бериллия обнаружил новое излучение, имеющее большую проникающую способность, которое привело затем к открытию нейтрона. Боте использовал метод совпадений для изучения природы космических лучей, в результате которых было установлено, что космическое излучение состоит из заряженных частиц, а не высокоэнергетических γ-квантов, как предполагалось ранее.

Нобелевская премия по физике
1954 г. – В. Боте
За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1912 г. Ч. Вильсон изобрёл камеру, названную его именем

Чарльз Вильсон (1869 – 1959) След α-частицы, испытавшей два столкновения в камере Вильсона.

    Н. Бор: «Вильсон, применив остроумный метод, использующий камеру, наполненную насыщенными парами, получил свои первые фотографии треков α-частиц, на которых были отчетливо видны резкие изломы, хотя обычные треки α-частиц представляли собой замечательно прямые линии. Конечно, Резерфорд очень хорошо понимал, что это за явление, так как всего лишь за несколько месяцев до того именно оно привело его к открытию, положившему начало новой эпохи, - открытию атомного ядра. Однако возможность увидеть собственными глазами столь тонкие детали поведения α-лучей оказалась удивительной даже для него и доставила ему необыкновенную радость».

    П. Блэкетт широко использовал и в значительной мере способствовал внедрению камеры Вильсона в физических измерениях. П. Блэкетт, изучив 25000 фотографий, полученных с помощью камеры Вильсона, показал, что в результате взаимодействия α-частиц с ядрами азота ¹⁴N образуются протон и изотоп ¹⁷O, что явилось подтверждением предположения, выдвинутого Э. Резерфордом о превращении одного химического элемента в другой.
    П. Блэкетт совместно с Д. Оккиалини создали управляемую камеру Вильсона с помощью двух счетчиков Гейгера, расположенных над и под камерой Вильсона и включенных в схему совпадений. В результате было получено большое количество фотографий, вызванных космическими лучами, и в частности впервые наблюдалось образование электрон-позитронных пар под действием космических лучей.

Патрик Блэкетт (1897-1974)

1919 г. Ф. Астон построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов

Фрэнсис Уильям Астон (1877-1945)

    С помощью своего первого масс-спектрометра Астон подтвердил, что существуют два изотопа неона, атомные массы которых почти в точности равны 20 и 22. Исследуя затем элемент хлор, имеющий атомный вес 35,46 Астон показал, что хлор даёт спектр масс, в котором наблюдаются две линии 35 и 37, и не видно никаких линий с дробным атомным весом. Поэтому хлор подобно неону состоит из двух изотопов с массовыми числами A = 35 и 37. К концу 1920 г. Астон исследовал на сконструированном им масс-спектрографе 19 элементов и обнаружил, что 9 из них состоят из двух и более изотопов, массы которых близки к целым числам.

    Ф.Астон: «Очевидные отступления от правильной последовательности атомных весов элементов, расположенных соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать однозначной связи зарядов с их массой».

    Ускорители. Одним из первых ускорителей частиц была обычная разрядная трубка. За счёт приложенного к ней напряжения электроны ускорялись и в результате торможения на аноде возникало образовалось рентгеновское (тормозное) излучение.
    В качестве пробных частиц α-частицы сыграли уникальную роль в изучении структуры атомных ядер. С их помощью

• в 1911 г. было открыто атомное ядро,
• в 1919 г. было доказано, что протоны входят в состав атомного ядра и осуществлено первое искусственное превращение химического элемента,
• в 1932 г. был открыт нейтрон,
• в 1934 г. был получен первый искусственный радиоактивный изотоп ³⁰P.

    Однако α-источники имели существенный недостаток − α-частицы вылетали из источника во всех направлениях, число их было мало и было невозможно изменять их энергию. Было очевидно, что для дальнейшего продвижения в изучении атомных ядер нужны различные высокоэнергичные пробные частицы, которые могли бы проникать в атомные ядра и вызывать их различные превращения, была необходимость создания интенсивных источников контролируемой энергии.
    В 1930 г. Э. Лоуренс построил первую модель циклотрона. В 1931 г. Ван де Граф создал первый электростатический ускоритель протонов. В 1932 г. Д. Кокрофт и Т. Уолтон создали высоковольтный ускоритель и с помощью ускоренного пучка протонов расщепили ядра бора и лития. В 1940 г. Д. Керст построил ускоритель электронов – бетатрон. В 1944 г. В. Векслер открыл принцип автофазировки, который лёг в основу создания ускорителей высоких энергий.

    Э. Резерфорд, 1932 г.: «Делая это обозрение, я был поражен сравнительно быстрым прогрессом, который произошел со времени нашей последней дискуссии в овладении этой центральной проблемой физики [расщепления атомных ядер]. Прогресс был бы много ускорен, если бы мы могли получить в лаборатории мощные, но контролируемые источники быстрых атомов и радиации высокой частоты для бомбардировки материи. В экспериментах Тюва, Хофстеда и Дэля в Отделении земного магнетизма в Вашингтоне и Кокрофта и Уолтона в Кэвендишевской лаборатории было найдено возможным посредством высоких потенциалов создать искусственный поток протонов с индивидуальной энергией около 1 млн. вольт-электронов и изучить их свойства. Некоторые другие методы получения быстрых атомов испытываются другими исследователями, я мог бы особенно сослаться на исключительно остроумный метод, развитый Лауренсом и Ливингстоном в Калифорнском университете, где посредством многократных ускорений были получены протоны с энергией, отвечающей примерно 1 млн. вольт. В недавно опубликованной статье они приходят к заключению, что этим методом возможно получить поток быстрых атомов еще большей энергии. Таким образом, здесь открывается полная надежд перспектива на то, что в близком будущем мы сможем получить источники быстрых атомов и высокочастотной радиации и вместе с тем расширить наши знания о структуре ядра.
    Опыты были сделаны и с другими элементами. Бор, фтор и алюминий все дают частицы, похожие на α-частицы с характеристичным пробегом для каждого элемента. Наблюдались также сцинтилляции от бериллия и углерода, некоторые яркие, другие – слабые, и есть указания, что азот дает немного ярких сцинтилляции. Кислород и медь не дают сцинтилляции для протонов с энергией до 400 тысяч вольт».

    Э. Резерфорд сообщает Н. Бору о первых результатах расщепления атомных ядер на ускорителе Кокрофта-Уолтона.

21 апреля 1932 г.

Дорогой Бор!

    <…> у меня есть для вас интересные новости, краткое сообщение о которых должно появиться в “Nature” на следующей неделе. Вы знаете, что у нас есть лаборатория высоких напряжений, где устойчивое постоянное напряжение может быть доведено до 600000 вольт и выше. Там недавно исследован эффект бомбардировки легких элементов протонами. Протоны падали на поверхность материала, расположенного под 45° к оси трубки, а вызываемые эффекты наблюдались сбоку сцинтилляционным методом, - экран из сернистого цинка был покрыт достаточно толстым слоем слюды, чтобы задержать протоны. В случае лития наблюдались яркие сцинтилляции, начиная примерно с 125000 вольт, которые быстро нарастали с увеличением напряжения вплоть до многих сотен в минуту при значении протонного тока в несколько миллиампер. По-видимому, α-частицы имели определенную длину пробега, практически не зависимую от напряжения и равную в воздухе около 8 см. Самое простое предположение, которое можно было сделать, состояло в том, что литий-7, захватывая протон, разламывается и при этом испускает пару обычных α-частиц. Принимая эту точку зрения, можно показать, что полное значение высвобождаемой энергии составляет около 16 миллионов электроновольт, и это дает правильный порядок для происходящих изменений в массах, если допустить справедливость закона сохранения энергии.
    Позже будут поставлены специальные опыты, чтобы проверить природу частиц, но по яркости сцинтилляций и следам в камере Вильсона представляется весьма вероятным, что это -частицы. В опытах, проведенных в самые последние дни, аналогичные эффекты наблюдались у бора и фтора, однако пробег частиц меньше, хотя они также похожи на α-частицы. Возможно, бор-11 захватывает протон и раскалывается на три α-частицы, тогда как фтор разламывается на кислород и -частицу. Баланс энергии находится примерно в соответствии с этими выводами. Я не сомневаюсь, что вас очень заинтересуют эти новые результаты, которые мы надеемся в ближайшем будущем расширить».

    Необходимость использования ускорителей для исследования структуры микромира очевидна. Во-первых, атомные ядра и частицы занимают очень малые области пространства. Исследование таких масштабов требует высокой разрешающей способности зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии.

Зависимость длины волны от энергии частицы.

    Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию E пробных частиц, необходимую, для его изучения. Длина волны пробных частиц зависит от импульса и дается формулой де Бройля

    В эксперименте по рассеянию структура объекта становится «видимой», если длина волны де Бройля пробной частицы сравнима или меньше размера объекта R, т. е. при λ ≤ R. При использовании в качестве пробных частиц электронов внутрь ядра можно «заглянуть», если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ = 10¹² эВ).
    Рождение частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий сталкивающихся частиц в массы и кинетические энергии образующихся частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.
    Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, интенсивностью, пространственными размерами и т. д.).
    В 2009 г. начались эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК). Протоны ускоряются в кольцевом тоннеле протяженностью 27 км, расположенном под землей на глубине ~100 м. БАК состоит из нескольких ускорителей, на которых происходит последовательное ускорение протонов, которые достигают в конце ускорения энергии 7 ТэВ. В кольцевом тоннеле ускоряются два пучка в противоположных направлениях. Поэтому суммарная энергия столкновения протонов составляет 14 ТэВ. Кроме протонных пучков в БАК будут ускоряться ионы свинца Pb.

Протонный пучок LHC.

• Энергия пучка протонов 7 ТэВ.
• Длина основного кольца 26,7 км.
• Пучок протонов разбит на отдельные сгустки:
  • продольный размер 20-40 см;
  • поперечный размер ~1 мм;
  • поперечный размер в точках столкновения 10^–2 мм.
• Число сгустков в максимумах интенсивности – 2808.
• Время одного цикла работы ускорителя 10–50 часов.
• Инжекция протонов в LHC происходит порциями.
• Время заполнения основного кольца 4-5 мин.
• Время ускорения протонов 0,45–7,0 ТэВ — 20 мин.

    В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергичный пучок протонов сбрасывается и коллайдер подготавливается к приёму новых сгустков протонов.
    В коллайдере LHC происходит 10⁹ столкновений протонных пучков в секунду.

2010 г. Большой адронный коллайдер

LHC. Large Hadron Collider
SPS. Super Proton Synchrotron
AD. Antiproton Decelerator
ISOLDE. Isotope Separator OnLine DEvice
PSB. Proton Synchrotron Buster
PS. Proton Synchrotron
LINAC. LInear ACcelerator
LEIR. Low Energy Ion Ring
CNGS. CERN Neutrinos to Gran Sasso

1932 г. Д. Кокрофт и Э. Уолтон ускоренными протонами расщепили ядра бора и лития

1930 г. Ускоритель Кокрофта-Уолтона

Джон Кокрофт (1897 – 1967)

Эрнест Уолтон (1903 – 1995)

1929 г. Первый циклотрон Э. Лоуренса

Эрнест Лоуренс (1901 – 1958)

1933 г. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона