Detekcia častíc

Čo je to detektor? Zariadenie, ktoré transformuje výsledok interakcie (ionizujúcich) častíc s vhodným látkovým prostredím do registrovateľnej formy.

Klasifikácia detektorov Podľa pracovnej náplne: plynové, kvapalné a pevné Podľa účelu, t.j. podľa druhu registrovaných častíc: (α, γ, , n), špeciálne detektory (napr. μ- mezóny) Podľa fyzikálneho princípu ich činnosti: ionizačné (všetky plynové, kvapalinové, scintilačné, polovodičové, špeciálne (hmlové + bublinové komory, kalorimetre, fotoemulzné , stopové)) Z hľadiska schopnosti merať energiu častíc: počítače (iba registrácia, G-M, iskrové), spektrometre (okrem registrácie aj ΔE), kalorimetre (ak sa stratí všetka energia E) Z hľadiska schopnosti určenia súradnice interakcie v detektore (t.j. kde častica preletela): Polohovo necitlivé (väčšina) Polohovo citlivé (dráhové) – komory dokážu dať priestorovú rekonštrukciu dráhy častíc, špeciálna konštrukcia použitie vo fyzike elementárnych častíc a jadrových reakciách (v urýchľovačoch)

Bublinová komora Vynájdená v roku 1952 Donaldom A. Glasser (1960 Nobelova cena). Pracuje na princípe ľubovoľnej priehľadnej prehriatej kvapaliny (napr. kvapalný H). Pri prechode ionizujúcej častice sa kvapalina prudko ohreje a pozdĺž dráhy častice sa vytvárajú bublinky. Dĺžka pracovného cyklu 5-10 s, ideálny prístroj na štúdium interakcie rýchlych častíc s protónmi Nevýhody: nemožnosť regulácie prebiehajúcich procesov, nízka energetická rozlišovacia schopnosť

(Big European Bubble Chamber) Snímok z BEBC (Big European Bubble Chamber)

Driftová komora Driftová komora využíva na detekciu elektróny uvoľnené z atómu pôvodnou časticou, keďže trvá nejaký čas, než sa dostanú k anóde. Presným zmeraním tejto doby môžme veľmi presne určiť polohu pôvodnej častice. Náplň tvorí zmes Ar-etánu

Driftová komora

Iskrová komora detekcia nabitých častíc ionizácia v celom priestore medzi elektródami preletom ionizačnej častice sa ionizáciou vytvorí vodivý kanál → vzniká iskra typy ID: a) jedno vláknový ID b) planárny ID najpoužívanejšie v 70. rokoch pracovný plyn Ne, He veľmi krátky reakčný čas (pri vzdialenosti elektród 2,5 mm trvá vytvorenie vodivého kanála len 10-9 s) môžme dosiahnuť rozmery detektora rádovo m3 používaj sa pri veľmi vzácnych dejoch napr. experimentálny dôkaz existencie 2 druhou neutrín

Iskrová komora

Iskrovu komoru tvoria tenké rovnobežné elektródy, na ktoré sa privádza vysoké napätie, pričom susedné elektródy majú vždy opačnú polaritu. Hodnota napätia sa volí tak, aby bola len o niečo menšia ako hodnota, pri ktorej už nastáva iskrový výboj. Ak vletí častica do priestoru medzi elektródami vyplneným inertným plynom, vzniká pozdĺž jej dráhy iskrový výboj, ktorý je vyfotografovaný.

Kalorimeter Meria energie častíc tak, že ich úplne zastaví, resp. absorbuje. Detekuje nabité (e a hadróny) aj neutrálne částice (n, gama). Pri prechode energetické častice kalorimetrom dochádza k vzniku elektro-magnetickej alebo hadrónovej spŕšky. Ak chceme zmerať energiu vysoko energetickej častice, stačí zostrojiť kalorimeter tak veľký, aby v ňom častica všetku svoju energiu stratila – veľkosť kalorimetra musí být taká, aby se v nej spŕška zastavila. Kalorimetry môžu byť homogenné (jeden druh materiálu, napríklad olovnaté sklo, ktoré súčasne absorbuje a slúži aj ako čerenkovov detektor elektrónov), väčšina kalorimetrov sú však tzv. vzorkovacie kalorimetre, tzn. majú časť, ktorá sa stará o absorbciu (ako absorbčné materiály se používajú U, W, Pb, Fe, Cu,..) a časť, ktorá sa stará o detekciu (ionizačná komora s tekutým argónom, scintilátor). Segmentacia kalorimetra umožňuje zistiť, kade častica letela.

pión (alebo iný hadrón) interakcia rôznych častíc s rovnakou energiou (300 GeV) vo veľkom bloku železa: 1m Elektrón s vysokou energiou vyžaruje fotóny, ktoré sa konvertujú na elektrón-pozitronové páry, tie zasa vyžarujú fotóny, ktoré ... To je elektromagnetická sprška. elektrón Mióny s vysokou energiou prevažne len ionizujú. mión pión (alebo iný hadrón) Elektróny a pióny so svojimi “potomkami” sú skoro úplne pohltené v dostatočne veľkom železném bloku.. Pión sa zráža s jadrom železa, a v tejto silnej interakcii se rodí niekoľko nových částic, ktoré opäť interagujú s ďalšími jadrami železa, Rodia sa dalšie nové částice ... To je hadronová sprška.

Geiger-Müllerov počítač Geiger-Müllerov počítač funguje pri tak vysokom napätí, že jediný pár spôsobí výboj v plyne. Dostáváme veľký signál, ktorý nezávisí na energii a druhu dopadajúcej častice. Namiesto jednej lavíny vzniká veľa lavín pozdĺž celej dĺžky anódy. Tieto sekundárne lavíny sú spôsobené fotónmi, ktoré sú emitované pri deexcitácii molekúl. Fotóny prelietavajú detektorom a spôsobojú dalšiu ionizáciu. Lavína spôsobená prelie- tavajúcou časticou. Pri deexcitácii molekuly plynu je vyžiarený fotón. - Fotoefektom vzniká elektrón, ktorý sa opäť urýchli v silnom poli a spôsobí ďalšiu (sekundárnu) lavínu. + Sekundárne lavíny spôsobené fotónmi. Náplňou detektoru sú vzácne plyny (argón), do ktorých sa pridáva prímes (napr. etylén), ktorý pohlcuje fotóny vznikajúce pri deexcitácii a tým preruší („zahasí“) výboj.

Geiger-Müllerov počítač

A Toroidal LHC ApparatuS

Polovodičové detektory Polovodičový detektor je v podstate ionizačná komora, kde plyn je nahradený pevnou látkou – pri prechode nabitej častice nevzniká elektrón a kladný ión, ale pár elektrón-diera. Výhodou je, že stredná energia potrebná na vytvorenie páru elektrón-diera je napr. v kremíku len 3,6 eV, v plyne 20-40 eV. Polovodič je materiál s pásovou štruktúrou (na rozdiel od diskrétnych hladín atómov). Elektróny obsadzujú nižšie pásy a valenčný pás. V kovoch ľahko prejdu do vodivostného pásu, čo im umožní pohyb po celom objeme pevnej látky - vznikne vodič. V polovodičoch je vodivostný pás od valenčného oddelený zakázaným pásom. Elektróny musia do vodivostného pásu „preskočit“ - polovodič vedie el. prúd, ale horšie ako kov. Ak dodáme elektrónu na valenčnom páse energiu (preletom částice, tepel- nými fluktuáciami, svetlom) väčšiu ako je šírka zakázaného pásu (u kremíku 1,1 eV), preskočí do vodivostného pásu a vo valenčnom páse vznikne diera, ktorá sa chová ako kladný náboj.  Problémem je, že voľných nábojov vytvorených ionizaciou (zajímavý signál) je v polovodiči podstatne menej ako elektrónov a dier, ktoré v polovodiči vznikajú ľahko vplyvom tepelného pohybu (šum). Potrebujeme teda znížiť počet voľných nábojov, čo môžeme dosiahnuť napríklad chladením a zvýšením “čistoty“ materiálu. Odstrániť voľné náboje aspoň z části objemu polovodiča je možné vytvorením špeciálnej štruktúry – PN prechodu.

Polovodičové detektory Každá častica dopadajúca do detektora produkuje ionizáciou veľké množstvo elektrónov a dier. Citlivú oblasť detektora – PN prechod - zväčšíme zapojením do obvodu v závernom smere. Polovodičový detektor je teda v skutočnosti dióda zapojená v závernom smere. Polovodič typu N Polovodič typu P Pri zapojení v závernom smeru dôjde ku zväčšení oblasti prechodu PN bez voľných nábojov. Diódou nepreteká takmer žiadny prúd. Hradlová vrstva je vyprázdnená od voľných nábojov a môže tak fungovať ako oblasť detektora citlivá na ionizáciu. Pri prelete častice zpôsobi ionizačná energia preskok úmerného množstva elektrónov do vodivostného pásu a teda vznik párov elektrón-diera, ktoré sú vplyvom elektrického poľa rýchlo odvedené na elektródy – el. obvodom prejde krátky elektrický impulz.

Scintilačný detektor Pri prechode nabitej častice látkou se vďaka ionizačným stratám zmenšuje jej kinetická energia. Okrem ionizácie se určitá časť energie spotrebúva na excitáciú atómov alebo celých molekúl látky do stavu s vyššou energiou. Atómy (molekuly) potom prechádzajú späť do základného stavu - deexcitujú. Pri deexcitácii atómov (molekúl) látky sa časť excitačnej energie uvoľní vo forme záblesku viditeľného alebo ultrafialového žiarenia. Látkám s takouto vlastnosťou hovoríme scintilátory (scintilácia=záblesk). trénovaná,osoba z dobrým zrakom Najstarším a najjednoduchším scintilačním detektorom je spintariskop (Crookes 1903). Je tvorený tienitkom pokrytým fluorescenčnou vrstvou ZnS (blejna zinkového). Na tienitko dopadajú a častice z preparátu a vyvolávajú scintilácie. Tie sú pozorované pod lupou v temnej miestnosti trénovanou, odpočinutou osobou s dobrým zrakom. Táto metóda detekcie je veľmi únavná. Okamžite po vynáleze ionizačných detektorov bola opustená. Návrat k scintilačnej metóde detekcie žiarenia vyvolal až vynález tzv. fotonásobiča, korého použitie nahrázda vizuálne pozorovanie svetelných zábleskov.

Scintilačný detektory Súčasná podoba scintilačného detektoru Dôležitou časťou scintilačného detektoru je fotonásobič (Curran, Baker 1944), ktorý premieňa veľmi slabý svetelný záblesk zo scintilátora na merateľný elektrický signál. Skladá sa z fotokatódy vyrobenej z fotocitlivého materiálu, vstupnej elektrónovej optiky, systému dynód a anódy, z ktorej je odoberaný signál. Dynódy

Čerenkovov detektor Čerenkovovo žiarenie – netepelné elmag. žiarenie vyvolané veľmi rýchlymi elektrónmi, ktoré vnikli do prostredia s vyšším indexom lomu, pričom rýchlosť svetla je menšia ako rýchlosť elektrónov. Efekt vzniku Č. ž. je analogický so vznikom rázových vĺn. Množstvo energie vyžiarenej z jednotkového úseku dráhy elektrónu je úmerné druhej mocnine súčinu indexu lomu a rýchlosti elektrónu. Spektrum Č. ž. je spojité. Objavil ho r. 1934 P. A. ČERENKOV.

Čerenkovov detektor Vo vákuu sa žiadna častica nepohybuje rýchlejšie ako svetlo, ale v médiu, ako je plyn alebo pevná látka, je to možné. V tomto prípade nabitá častica emituje svetlo v presne určenom smere vzhľadom ku trajektórii častice. Častica spôsobuje vznik svetelného kužeľa, ktorého priemet je zachytávaný ako kruh. Veľkosť kruhu závisí od typu častíc. Presným meraním kruhu svetla a poznaním hybnosti môže byť určený typ častice.

Ďakujem za pozornosť