Детекторы

    Детекторы служат для регистрации частиц, определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенного типа частиц и не чувствуют фон, создаваемый другими частицами.
    Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.
    Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает в результате электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса. Детекторы, использующие этот принцип, называют ионизационными.
    При возвращении возбужденных атомов в основное состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип  используется в сцинтилляционных детекторах.
    При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы можно сделать видимой. Этот способ реализуется в трековых детекторах.
    Нейтральные частицы, например нейтрон или Λ-гиперон, непосредственно не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших либо в реакциях нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада частиц (Λ → p + π^-).
    Гамма-кванты регистрируются по вторичным заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.
    Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой (≈ 10^-20 барн) в большинстве случаев вообще не регистрируется детектором. Нейтрино уносит с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и используя законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том, что нейтрино действительно образовалось, но и установить его энергию и направление вылета из точки реакции.
    Быстрораспадающиеся частицы детектор «не успевает» зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада.

Детекторы частиц

Схемы совпадений и антисовпадений

    Практически все современные детекторы содержат электронные устройства для усиления, обработки и счета сигналов. В простейшем случае это может быть просто счет импульсов в течение определенного интервала времени или определение энергии отдельных частиц. Однако в большинстве случаев, особенно при детектировании частиц высоких энергий, используется несколько счетчиков. В этих случаях счетчики обычно включаются в схемы совпадений или антисовпадений, которые позволяют идентифицировать частицы, определять их энергии.
    Рассмотрим установку, состоящую из 4 счетчиков импульсов С1, С2, С3, С4 и поглотителя П, расположенного между С3 и С4 (рис. 2.16). Как с помощью этой установки можно определить тип и энергию частиц?
    Случай 1. Высокоэнергетичный протон имеет достаточную энергию, чтобы его пробег превышал размеры установки. В этом случае будут зарегистрированы импульсы одновременно во всех четырех счетчиках. Если все четыре счетчика включены в схему совпадений, то на её выходе появится импульс, который зарегистрирует это событие.
    Если энергия протоны недостаточна, и он остановится в поглотителе П (случай 2), то будут наблюдаться только одновременные импульсы от С1, С2, С3. Изменяя толщину поглотителя П между С3 и С4, можно регистрировать протоны, энергия которых меньше определенной величины.

 Рис. 2.16 Схема совпадений.

    Случай 3 соответствует нейтральной частице, которая распалась в пространстве между С1 и С2 с образованием 2 заряженных частиц малой энергии. В этом случае будет наблюдаться совпадение сигналов по времени от С2 и С3. Счетчики С1 и С4 при этом не срабатывают. Этот метод часто используют, когда необходимо зарегистрировать нейтральную частицу на фоне большого количества заряженных частиц.
    Отсутствие сигнала от счетчика С1 и совпадения счетчиков С2 и С3 − свидетельство тому, что через установку прошла нейтральная частица. Используя различное количество счетчиков, включенных в схемы совпадений или антисовпадений можно эффективно отбирать интересующие события. С помощью системы счетчиков, включенных в схемы совпадений и антисовпадений, был открыт антипротон. Схемы совпадений активно используются для управления искровыми камерами. В этом случае импульс высокого напряжения для регистрации частиц подаётся только в том случае, если предварительно сработал сцинтилляционный детектор, показывающий, что в искровую камеру влетела заряженная частица, что значительно повышает эффективность отбора нужных событий.

Задачи

П 5.1.  Как измерить период полураспада T_1/2 > 10 лет? Как измерить среднее время жизни частицы
τ < 10^-15 секунды?

П 5.2.  Предложить эксперименты,  в которых можно измерить константы е, с и h. Оценить достижимую точность измерений.

П 5.3.  Какие имеются экспериментальные доказательства того, что атомный номер химического элемента равен заряду его ядра?

П 5.4.  Как черенковский счетчик можно использовать в качестве детектора скоростей частиц? Привести пример.

П 5.5.  Предложить метод для регистрации следующих частиц: 1) электронов с энергией 100 эВ; 2) фотонов с энергией 10³ МэВ; 3) тепловых нейтронов; 4) Λ-гиперонов с энергией 300 МэВ;
5) π⁰-мезонов с энергией 10 МэВ.

П 5.6.  Какими методами можно определить массы следующих частиц: 1) π⁰; 2) K⁰; 3) Δ⁺⁺; 4) π⁺; 5) Ω⁻; 6) ν_e; 7) ν_μ?

П 5.7.  Объяснить принцип работы пузырьковой камеры. Как можно использовать пузырьковую камеру для детектирования реакций под действием нейтрино?