Бөлшектер көзі және осы заманғы детекторлар

Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Бөлшектер көзі және осы заманғы детекторлар.

Бөлшектердің қасиеттерін қарастырғанда олардың бір -бірімен әсерлесу сипатын білудің және осы әсерлесу кезіндегі олардың сан алуан түрленулерін т. с. с зерттеудің маңызы зор. Ол үшін біз оларды тіркеп, әрі бақылай білуіміз қажет. Сондықтан, ядролық физиканың туындалып, даму кезеңінен бастап-ақ бөлшектерді тіркеп, оны бақылаудың әдістері де қалыптаса бастады. Бұл бағыттағы алғашқы қолданылан әдістің бірі фотоэмульсия әдісі. Радиоактивтілік құбылысының өзі ядролық сәулелердің фотопластинкаға әсері негізінде кейдейсоқ ашылған болатын. Бұл әдіс күні бүгінге дейін элементар бөлшектер физикасында, ғарыштық сәулелерді зерттеуде кеңінен қолданылады. Әдістің мәні мынада: зарядталған шапшаң бөлшек фотоэмульсияның қабаты арқылы өткен кезде өзі өткен траекторияның бойында көрінбейтін із қалдырады да бұл із фотопластинканы өндегеннен соң айқын траектория түрінде көрінеді. Қалдырған іздің қалыңдығы және ұзындығы арқылы бөлшектің зарядын және энергиясын анықтаудың мүмкіндігі бар.

Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеу мен бақылау әдістері олардың қоршаған ортасын ионизациялау мен атомдарын қоздыру қабілеттілігіне негізделген. Зарядталған бөлшектер тікелей осы процестерді тудырады, ал - кванттар және нейтрондар олардың қоршаған орта атомдарының ядроларымен және электрондарымен зарядталған жылдам бөлшектер арқылы әсерлесуінің нәтижесінде пайда болуынан туындайтын ионизациялану арқылы анықталады. Жарық жарқылы, электр тогы, фотопластинканың қараюы сияқты процестермен өтетін екінші ретті эффектілер ұшып келе жатқан бөлшектерді тіркеуге, есептеуге, оларды бір - бірінен ажыратып, энергияларын өлшеуге мүмкіндік береді.

Радиоактивті сәулелерді және бөлшектерді тіркеуге арналған құрылғалар екі топқа бөлінеді:

бөлшектің кеңістіктің белгілі бір ауданынана өтуін тіркей алатын және кейбір жағдайда олардың сипатын мысалы, энергиясын (сцинтилляциондық есептегіш, Черенков есептегіші, импульсті ионизациялаушы камера, газоразрядты есептігіш, жартылай өткізгішті есептегіш) анықтай алатын;
бақылай алатын, мысалы, зат ішіндегі бөлшектің іздерін (тректерін) суретке түсіріп алу (Вильсон камерасы, диффузиондық камера, көпіршікті камера, ядролық фотоэмульсия, иондаушы камера) .

1. Сцинтилляциондық есептегіш Сцинтилляция - жылдам бөлшектердің флоуресценттік экранға түскен кездегі жарық жарқылдарын бақылау. Бұл ағылшын физиктері У. Круксу (1832 - 1919) және Э. Резерфордтың (1871 - 1937) ядолық физика таңында визуалды түрде - бөлшектерді тіркеуге мүмкіндік берген бірінші әдісі. Сцинтилляциондық есептегіш - бұл негізгі элементі сцинтиллятор (кристолофор) және фотоэлектронды көбейткіш болып табылатын әлсіз жарық жарқылдарын электр импульстеріне айналдыратын және электрондық құрылғымен тіркейтін ядролық бөлшектер детекторы. Көбінеше сцинтиллятор ретінде бейорганикалық ( - -бөлшек үшін, -бөлшек және -кванттарға , ) немесе органикалық (антрацен, пластмасса - -кванттарға) заттардың кристалдарын пайдаланады.

Сцинтилляциондық есептегіштер тіркелетін бөлшектердің типіне, түріне және сцинтиллятор мен қолданылатын электрондық құрылғының мүмкін болған уақытына (қазір ол ) қарай үлкен уақыт аралығында өлшеуге мүмкіндік береді ( ) . Бұндай типтегі есептегіштердің тіркеу эффективтілігі - есептегіштен өткен тіркелген бөлшектер санының барлық бөлшектер санының қатынасына тең. Жобамен зарядталған бөлшектер үшін 100%, ал -кванттар үшін 30%. Көптеген сцинтилляторларда ( , , антрацен, стильбен) энергияның кең интервалында жарық жарқылдарының интенсивтілігі алғашқы бөлшектің энергиясына пропорционал болғандықтан, бұл сцинтилляторлардағы есептегіштер тіркелетін бөлшектердің энергиясын өлшеу үшін қолданылады.

2. Черенков есептегіші Черенков есептегіштерінің қолданылу аясы - заттың ішіндегі осы ортаның фазалық жарық жылдамдығынан үлкен жылдамдықпен қозғалатын бөлшектердің энергиясын өлшеу және бұл бөлшектерді масса бойынша жіктеу. Бөлшектің массасының шамасын біле отырып, оның энергиясын анықтаған сияқты сәуле шығару бұрышын біле отырып, бөлшектің жылдамдығын анықтауға болады. Бір жағынан, егер бөлшектің массасы белгісіз болса, онда оны бөлшектің энергиясын өлшеу арқылы анықтауға болады. Сонымен қатар, әр түрлі жылдамдықты екі бөлшектер шоғы болған кезде сәуле шығару бұрыштары да әр түрлі болады. Соның арқасында ізделініп жатқан бөлшектерді анықтауға болады. Черенков есептегіштерінің жылдамдық бойынша өлшеу аралығы (яғни энергиясы бойынша) болады. Бұл бөлшектердің энергиясы 1 ГэВ болғанда оларды бір - бірінен ажыратуға мүмкіндік береді, яғни сәуле шығару бұрыштары ажыратылғанда. Есептегіштің өлшеу аралығы с - қа жетеді. Черенков есептегіштерін ғарыштық сәулеленуді зерттеу үшін ғарыш кемелерінде орнатады.

3. Импульстік иондаушы камера Импульсті иондаушы камера - бұл зарядталған бөлшектердің газды иондау қабілетіне негізделген бөлшектер детекторы. Иондаушы камера электроттарына тұрақты кернеу беріліп тұратын газбен толтырылған электр конденсаторы болып табылады. Тіркелетін бөлшек электроттар арасындағы кеңістікке түсіп, газды иондайды. Кернеуді бір жағынан, барлық түзілген иондар электротқа рекомбинацияланбай жетіп баратындай, ал екінші жағынанан, екінші ретті ионизация тудырмас үшін, қатты үдетілмейтіндей етіп таңдайды. Бұдан, иондаушы камераның электроттарында зарядталған бөлшектердің әсерінен пайда болған иондар жиналады. Иондаушы камералар екі түрлі болады: интегралдаушы (онда жиынтық иондаушы ток өлшенеді) және импульстік, негізінен, есептегіш болып табылатын (онда бір бөлшектің өтуі тіркеледі және оның энергися өлшенеді, бірақ шындығында, төмен дәлдікпен, бұл шығыстағы импульстің аздығымен түсіндіріледі) .

4. Газоразрядтық есептегіштер. Газоразрядтық есептегіш негізінен газбен толтырылған металл цилиндрден (катод) және оның осі бойынша тартылған жұқа сымнан (анод) тұрады. Газоразрядтық есептегіштер құрастырылуы жөнінен иондаушы камераға ұқсағанымен, оларда негізінен екінші ретті ионизация үлкен роль ойнайды. Бұл екінші ретті ионизация бірінші ретті иондардың қабырғаға және газ атомдары мен молекулаларының соқтығысу нәтижесінде пайда болады. Екі түрлі газоразрядтық есептегіштер жөнінде мынаны айтуға болады: пропорционалдық (оларда газдық разряд тиянақсыз, яғни сызықты ионизатордың әсері тоқтағанда өшеді) және Гейгер - Мюллер [Х. Гейгер (1882 - 1945), Э. Мюллер (1911 - 1977) - неміс физиктері] есептегіші (оларда разряд тиянақты, яғни сызықты ионизатордың әсері тоқтаса да қолданылады) .

Пропорционалдық есептегіштерде жұмыстық кернеу олар вольт - амперлік сипаттаманың облысында жұмыс істейтіндей, яғни еріксіз разрядқа сәйкес келетіндей етіп таңдалады. Ондағы шығыстық импульс бірінші ретті ионизацияға яғни есептегішке ұшып кірген бөлшектің энергиясына пропорционал. Сондықтан олар бөлшектерді тіркеп қана қоймайды, сонымен бірге, олардың энергиясын өлшейді. Пропорционалдық есептегіштерде жеке бөлшектер тудыратын импульстар есе күшейтіледі (кейде есеге дейін) .

Гейгер - Мюллер есептегіші құрастырылуы және жұмыс істеу принципі жөнінен пропорционалдық есептегіштерден онша айырмашылығы жоқ. Бірақ шығыстық импульс бірінші ретті ионизацияға байланысты болмағанда ерікті разрядқа сәйкес келетін вольт - амперлік сипаттама облысында жұмыс істейді. Гейгер - Мюллер есептегіштері бөлшектердің энергиясын өлшеместен тіркейді. Күшейту коэфициенті бұл есептегіштерде . Бөлінді импульстерді тіркеу үшін пайда болған разрядты сөндіру керек. Бұл үшін мысалыға есептегіште пайда болған разряд кедергіде разрядтың үзілуіне жеткілікті кернеудің құлауын тудыратын кедергілер тізбегі ретімен қосылуы керек. Гейгер - Мюллер есептегіштерінің уақыт бойынша өлшеу аралығы с. Разрядтық есептегіштердің тіркеу эффективтілігі жобамен зарядталған бөлшектер үшін 100%, -кванттар үшін 5%.

5. Жартылай өткізгішті есептегіштер. Жартылай өткізгішті есептегіштер - бұл негізгі элементі жартылай өткізгіш диод болып табылатын бөлшектер детекторы. Уақыт бойынша өлшеу аралығы жобамен с. Жартылай өткізгішті есептегіштер үлкен беріктілік қасиетке ие, олар магнит өрістерінде жұмыс істей алады. Жұмыс істеу аудан енінің жұқа болуынан (100 деген мкм) жартылай өткігішті есептегіштерді жоғары энергиялы бөлшектерді өлшеу үшін қолдана алмаймыз.

6. Гейгер- Мюллер есептегіштер. Шапшаң зарядтаоған бөлшектер мен γ-кванттарды тіркеуде Гейгер-Мюллер есептегіштері қолданылады(7. 8-сурет) . Ол іші өте аз қысымдағы (шамамен 0, 1 атм) газ қоспасымен, мысалы аргон мен метил спиртінің буының қоспасымен толтырылған цилиндр трубкадан тұрады. Цилиндрдің ортасында одан изолятор арқылы оқшауланған жіңішке сым бар. Бұл жіңішке сым анодтың, ал цилиндрдің корпусы катодтың ролін атқарады. Анод пен катодтың арасына аса жоғары кернеу берілген. Есептегіштің жұмыс көлемі арқылы зарядталған бөлшек өткен кезде ол өз жолындағы газ бөлшектерін иондайды да, пайда болған электрон мен оң ионды жоғары кернеудің салдарынан туындылаған өрістің әсерінен сәйкес анод пен катодқа қарата үдей қозғалады. Бұл бөлшектер өз кезегінде жолында кездескен газдың басқа атомдарын иондайды, сөйтіп бұл үрдіс тасқынды сипат алады. Иондалған бөлшектер тасқыны анод пен катодқа келіп жеткенде тізбек өте аз уақытқа тұйықталады да, бөлшек тіркеледі.

7. Вильсон камерасы. Тәжірибелік ядролық физиканың тамаша құралдарының бірі- Вильсон камерасы. Вильсон камерасы [Ч. Вильсон (1869 - 1959) - ағылшын физигі] - бұл ескі (1912) және бұрыннан келе жатқан (50 - 60 ж. ж. дейін) трек детекторының жалғыз түрі. Шыны цилиндр және оған қатты жанасатын поршеннен тұрады. Цилиндр нейтрал газбен (негізінен гелий және аргон), судың қаныққан буымен (немесе спирттің) толтырылады. Газдың жылдам кеңеюі, яғни адиобаталық кеңею кезінде бу артығымен қанныққан және камерадан ұшып өткен бөлшектер траекториясында туманнан трек пайда болады. Пайда болған тректердің кеңістікте орналасуын көрсету үшін оларды әр түрлі бұрыштардан суретке түсіреді (стереоскопты) . Тректердің сипаты мен геометриясына қарай камерадан өткен бөлшектің типі (мысал: -бөлшек, өзінен кейін біртегіс жалпақ із қалдырады, - бөлшек - жіңішке), энергиясы (жүріп өту ұзақтығына қарай), ионизация тығыздығы (трек ұзындығының бірлігіне сәйкес келетін тамшы санына карай), реакцияға қатысатын бөлшектер саны жөнінде айтуға болады.

Орыс ғалымы Д. В. Скобельцын (1892 - 1990) Вильсон камерасын күшті магнит өрісіне орналастырып оның мүмкіндігін айтарлықтай арттырды (1927) . Магнит өрісінде зарядталған бөлшектердің траекторысының қашықтығына қарай, яғни тректің қисықтығына қарай заряд таңбасын анықтауға болады. Ал егер бөлшектің түрі белгілі болса (оның заряды және массасы), онда тректің қисықтық радиусы бойынша бөлшектің энергиясын және массасын анықтауға болады, тіпті трек камераға толығымен сыймайтын болса да (жоғары энергиялы реакцияларда жүздеген МэВ - қа жететін) . Вильсон камерасының кемістігі - оның жұмыс істеу уақытының қысқалығы. Ол келесі өлшеуге дайындық жасауға жұмсалатын уақыттың жуықтап 1% құрайды (температураны және қысымда теңгеруге жұмсалатын уақыт) және нәтижелерді өңдеу қиындықтары.

8. Диффузиондық камера. Диффузиондық камера (1936) - бұл Вильсон камерасының бір түрі. Онда да жұмысты атқаратын заттың ролін артығымен қанныққан бу атқарады. Бірақ артығымен қанығудың шамасы жоғарғы жағы қыздырылған ( С - ге дейін) және төменгі жағы көмірқышқылымен ( С - ге дейін) суытылған спирт буының диффузиясымен тудырылады. Төменгі жағында шамамен 5см артығымен қаныққан бу қабаты пайда болады. Одан өткен зарядталған бөлшектер трек тудырады. Вильсондікіне қарағанда диффузионды камера үздіксіз жұмыс істейді. Сонымен қатар, поршеннің жоқтығынан онда 4МПа - ға дейін қысым тудыруға болады. Ол оның эффективті көлемін айтарлықтай үлкейтеді.