Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Счётчик Гейгера
Камера Вильсона
Пузырьковая камера
Фотографические
эмульсии
Сцинтилляционный
метод
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
Искровая камера

Сцинтилляционный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, y - квантов, мезонов и т. д.). Основным элементом счетчика является вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор).
При попадании заряженной частицы на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка, возникает вспышка света (СЦИНТИЛЛЯЦИЯ). Вспышку можно наблюдать и фиксировать.
Прибор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы.

Счетчик Гейгера.
Схема
Фотография
Ханс Гейгер
В газоразрядном счетчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между катодом и анодом заполняется специальной смесью газов. Между катодом и анодом прикладывается напряжение.
U

+
-
R
К усилителю
Стеклянная трубка
Анод
Катод
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и y - квантов(фотонов большой энергии).
Счётчик регистрирует почти все падающие в него электроны.
Регистрация сложных частиц затруднена.
Счетчик Гейгера.
Чтобы зарегистрировать y- кванты, стенки трубки покрывают специальным материалом, из которого они выбивают электроны.

Камеру Вильсона можно назвать “окном” в микромир. Она представляет собой герметично закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению.
Стеклянная
пластина
поршень
вентиль
Вильсон- английский физик, член Лондонского королевского общества. Изобрёл в 1912 г прибор для наблюдения и фотографирования следов заряжённых частиц, впоследствии названную камерой Вильсона (Нобелевская премия, 1927).
Камера Вильсона
Советские физики П.Л. Капица и Д.В. Скобельцин предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

Если частицы проникают в камеру, то на их пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины оценивается её скорость. Трек имеет кривизну.
Первое искусственное превращение элементов – взаимодействие α − частицы с ядром азота, в результате которого образовались ядро кислорода и протон.

При понижении давления жидкость в камере переходит в перегретое состояние.
поршень
Пузырьковая камера
Пролёт частицы вызывает образование цепочки капель, которые можно сфотографировать.
Фотография столкновения элементарных частиц в главной пузырьковой камере ускорителя Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Траектории движения элементарных частиц расцвечены для большей ясности картины. Голубыми линиями отмечены следы пузырьков, образующихся вокруг атомов, возбужденных в результате пролета быстрых заряженных частиц.
1952. Д.Глейзер. Вскипание перегретой жидкости.

Заряжённые частицы создают скрытые изображения следа движения.
По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
Фотоэмульсия имеет большую плотность, поэтому треки
получаются короткими.
Фотографические эмульсии
Метод толстослойных фотоэмульсий. 20-е г.г. Л.В.Мысовский, А.П.Жданов.
Треки элементарных частиц в толстослойной фотоэмульсии
Наиболее дешевым методом регистрации ионизирующего излучения является фотоэмульсионный (или метод толстослойных эмульсий). Он базируется на том, что заряженная частица, двигаясь в фотоэмульсии, разрушает молекулы бромида серебра в зернах, сквозь которые прошла. После проявления такой пластинки в ней возникают «дорожки» из осевшего серебра, хорошо видимые в микроскоп. Каждая такая дорожка — это след движущейся частицы. По характеру видимого следа (его длине, толщине и т. п.) можно судить как о свойствах частицы, которая оставила след (ее энергии, скорости, массе, направлении движения), так и о характере процесса (рассеивание, ядерная реакция, распад частиц), если он произошел в эмульсии.

На рисунке изображены следы в фотоэмульсии. Этот метод имеет такие преимущества:
1. Им можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения.
2. Фотопластинка всегда готова для применения (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние).
3. Эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью.
4. Он дает неисчезающий след частицы, который потом можно тщательно изучать.
Недостатком метода является длительность и сложность химической обработки фотопластинок и главное — много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.

Искровая камера
Искровая камера – трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.
Трек частицы в узкозазорной искровой камере
1959 г. С.Фукуи, С.Миямото. Искровая камера. Разряд в газе при его ударной ионизации.

.
Внешний вид двухсекционной искровой камер
Пространственное разрешение обычной искровой камеры 0.3 мм.
Частота срабатывания 10 – 100 Гц.
Искровые камеры могут иметь размеры порядка нескольких метров.
Искровая камера