Эксперыментальныя метады ядзернай фізікі Аснова эксперыментальных метадаў Лічыльнікі часціц Трэкавыя прыборы Мас-спектрометры Паскаральнікі зараджаных часціц

Аснова эксперыментальных метадаў ядзернай фізікі У аснове метадаў ляжаць іанізацыйныя і фотахімічныя дзеянні часціц, паскарэнне зараджаных часціц у электрычных палях і адхіленне ў магнітных палях. Усе эксперыментальныя метады дазваляюць вызначыць фізічныя велічыні, якія характарызуюць праход часціцы праз рэчыва. Лёгкія часціцы – электроны, пазітроны. Цяжкія часціцы – альфа-часціцы, пратоны, цяжкія іоны.

Нейтральныя часціцы не пакідаюць слядоў, але яны могуць выявіць сябе ў момант распаду на зараджаныя часціцы ці ў момант сутыкнення з нейкім ядром атама. Такім чынам, нейтральныя часціцы таксама выяўляюцца па іанізацыі, якая вызываецца зараджанымі часціцамі, што ўзніклі пры распадзе нейтральнай часціцы.

Прыборы, якія выкарыстоўваюцца для рэгістрацыі элементарных часціц падзяляюцца на дзве групы. Першая група прыбораў – прыборы, якія рэгіструюць факт пралёту часціцы, і ў асобных выпадках даюць магчымасць ацаніць яе энергію. Другая група прыбораў – гэта трэкавыя прыборы, якія даюць магчымасць назіраць след (трэк) часціцы ў рэчыве.

Да лічыльнікаў адносяцца: Лічыльнікі часціц Да лічыльнікаў адносяцца: іанізацыйная камера, газаразрадны лічыльнік, лічыльнік Чаранкова, сцынтыляцыйны лічыльнік, паўправадніковы лічыльнік.

Іанізацыйная камера Камера ўяўляе сабой плоскі кандэнсатар К, які знаходзіцца ў герметычным корпусе, запоўненым газам. Часціца А вялікай энергіі вызывае іанізацыю газу, узнікае несамастойны разрад. Імпульс току, які ўзнікае на супраціўленні R, рэгіструецца лічыльнікам імпульсаў ЛІ .

Газаразрадны лічыльнік Лічыльнік уяўляе двухэлектродную лямпу – тонкасценная трубка (катод), уздоўж восі якой працягнута тонкая металічная нітка, якая іграе ролю анода. Лічыльнік напаўняецца газам пры ціску (100-200)мм.рт.сл.

Хуткая часціца А іанізуе газ – узнікае імпульс току, які рэгіструецца лічыльнікам імпульсаў ЛІ. Выкарыстоўваецца другасная іанізацыя.

Лічыльнікі, якія працуюць у рэжыме несамастойнага разраду называюцца прапарцыйнымі. Лічыльнік, што працуе ў рэжыме самостойнага разраду называецца лічыльнікам Гейгера-Мюлера. Лічыльнікі выкарыстоўваюцца для рэгістрацыі касмічных часціц высокай энергіі.

Лічыльнік Чаранкова Пры праходжанні зараджанай часціцы А праз рэчыва з хуткасцю, большай за хуткасць святла ў гэтым асяроддзі (фазавую скорасць),  > c/n, узнікае выпраменьванне, якое фіксуецца ФЭП з дапамогай лінзы Л.

Накіраванасць гэтага выпраменьвання Чаранкова вызначаецца роўнасцю Θ – вугал паміж напрамкам выпраменьвання і траекторыяй часціцы. У якасці рабочага асяроддзя лічыльніка Лч выкарыстоўваюцца празрыстыя пластмасы, вадкія рэчыва і газы з n>1 у аптычнай і ўльтрафіялетавай вобласцях. Эфектыўна прымяняюцца лічыльнікі цыліндрычнай формы.

Сцынтыляцыйны лічыльнік Часціца А вялікай энергіі пралятае праз празрысты крышталь К з антрацэну ёдзістага натрыю або іншага рэчыва, якое флюарэсцыруе, і стварае ў ім слабую ўспышку У.

Выпраменьванне пападае на ФЭП, узнікае імпульс току, які рэгіструецца лічыльнікам імпульсаў ЛІ. Сцынтыляцыйны лічыльнік дазваляе фіксаваць лік часціц і размяркоўваць іх па энергіях.

Паўправадніковы лічыльнік Рабочым рэчывам лічыльніка з’яўляецца паўправадніковы крышталь К з p-n – пераходам. Крышталь (паўправадніковы дэтэктар) падключаецца да крыніцы зрушэння КЗ так, што ў зыходным стане ён зачынены.

Часціца А выклікае дрэйф электронаў і дзірак у паўправадніку, на супраціўленні R узнікае імпульс току, які рэгіструецца лічыльнікам імпульсаў ЛІ. Лічыльнікі выкарыстоўваюцца для рэгістрацыі зараджаных часціц і гама-квантаў.

Трэкавыя прыборы Камера Вільсана, Дыфузная камера, Пузырковая камера, Трэкавыя прыборы дазваляюць рэгістраваць часціцы, назіраць іх сляды (трэкі), даследаваць працэсы сутыкнення, нараджэння і распаду часціц. Да іх адносяцца: Камера Вільсана, Дыфузная камера, Пузырковая камера, Іскравая камера, Эмульсійная камера, Прапарцыйная камера.

чорным вільготным Камера Вільсана Камера сканструявана ў 1912г. Цыліндрычная пасудзіна 1, герметычна закрытая шкляной накрыўкай 2. Дно камеры пакрыта чорным вільготным аксамітам ці сукном 3.

У камеры ствараецца перанасычаная пара. Пры рэзкім апусканні поршня 4 пара адыябатна пашыраецца, што прыводзіць да яе ахаладжэння (перасычэння).

Зараджаная часціца А стварае ў такім асяроддзі ланцужкі іонаў, якія становяцца цэнтрамі кандэнсацыі, утвараецца след (трэк) 5, які можна сфатаграфаваць. Цяжкая альфа-часціца пакідае суцэльны тлусты след, хуткая бэта-часціца – тонкі, павольная – звілісты.

Дыфузійная камера Рабочым рэчывам дыфузійнай камеры з’яўляецца перагрэтая пара, якая ствараецца ў выніку дыфузіі пары спірту ад накрыўкі камеры 1 да дна 2.

Тэмпература накрыўкі каля 100С. Дно камеры ахалоджваецца цвёрдай вуглекіслатой 3 (t ~ - 700C).

Трэк 4 часціцы А узнікае ў тонкім слоі перанасычанай пары, які ствараецца каля дна камеры. Рэжым працы камеры – бесперапынны.

Пузырковая камера Створана ў 1952г. амер.фіз. Д.Глезерам. Рабочым рэчывам камеры з’яўляецца перагрэтая вадкасць (вадарод, прапан, ксенон і інш), якая знаходзіцца пад ціскам Р, які перавышае ціск перанасычанай пары Рпер пры дадзенай тэмпературы Т.

Пры рэзкім падняцці поршня ціск паніжаецца, адбываецца перагрэў вадкасці. Часціца А, што пралятае ў гэты момант праз камеру, стварае ў ёй іоны, якія становяцца цэнтрамі выпарэння, бурбалкі пары ўтвараюць трэк.

Пузырковыя камеры маюць вялікі аб’ём і адпаведную шчыльнасць вадкасці, таму выкарыстоўваюцца для рэгістрацыі часціц вялікіх энергій.

Іскравая камера Плоскапаралельныя электроды 1 размяшчаюцца ў камеры 2 з газавай сумессю Не і Ne.

Адны электроды зазямляюцца, на другія падаецца высакавольтны імпульс ~(10 - 15) кВ. Камера запускаецца з дапамогай лічыльнікаў 3 і блока кіравання 4.

Пры праходжанні часціцы А, у момант падачы электрычнага імпульсу, газ у камеры іанізуецца, паміж электродамі ўзнікаюць іскравыя разрады, якія абазначаюць след часціцы. Камера выкарыстоўваецца для рэгістрацыі часціц высокіх энергій.

Эмульсійная камера Створана ў 1926-27г. рус.фіз. Л.Мысоўскім і А.Жданавым. Зараджаная часціца А аказвае на зярняты фотаэмульсіі 1 гэткае ж дзеянне, як і квант святла (фотапрацэс). Пасля апрацоўкі фотаэмульсіі ўзнікае бачны след 2.

Па даўжыні, форме і ступені пачарнення трэка можна вызначыць масу, зарад, хуткасць і энергію часціцы. Камера працуе ў бесперапынным рэжыме і дазваляе вывучаць працэсы ўзаемадзеяння хуткіх часціц з ядрамі атамаў. Для часціц вялікіх энергій выкарыстоўваюцца тоўстыя стосы фотаэмульсій. Вынікі доследаў могуць доўга захоўвацца.

Прапарцыйная камера Сістэма паралельных пласцін 1 і вымяральных дроцікаў 2 знаходзіцца ў камеры 3, якая запаўняецца газам. На дроцікі падаецца дадатнае адносна пласцін напружанне.

Пры праходжанні часціцы А праз камеру адбываецца іанізацыя газу. На вымяральных дроціках узнікаюць імпульсы напружання (іскравыя разрады, якія абазначаюць трэк часціцы). Для рэгістрацыі часціц высокіх энергій выкарыстоўваюць некалькі камер з узаемаперпендыкулярным размяшчэннем вымяральных дроцікаў

Мас-спектрометры Прыбор, у якім пучок часціц раздзяляецца па масах і атрыманы спектр часціц даследуецца, называецца мас-спектрометрам. Для вызначэння зарадаў і мас дадатных іонаў выкарыстоўваецца сумеснае дзеянне на часціцу электрычнага і магнітнага палёў - электрастатычная сіла, - сіла Лорэнца.

З дынамічнага раўнання руху часціцы ў электрычным і магнітным палях бачна, што траекторыя руху часціцы вызначаецца ўдзельным зарадам q/m. Таму па велічыні адхілення часціцы ад прамалінейнага напрамку можна вылічыць яе масу, калі вядомы зарад. 1919г. – англ. фіз. і хім. Ф.Астан (1877-1945) пабудаваў мас-спектрометр, дакладнасць якога складала 0,01%.

Схема мас-спектрометра У камеры плоскага кандэнсатара К існуе электрычнае поле. Магнітнае поле ствараецца ў камерах К і С. Вектар індукцыі магнітнага поля накіраваны перпендыкулярна плоскасці рысунка да назіральніка (магніты на рыс. не паказаны).

У камеры К дадатныя іоны А пад уздзеяннем электрычнага поля адхіляюцца ўправа, а пад уздзеяннем магнітнага поля В – ўлева. Праз дыафрагму D3 праходзяць іоны, якія валодаюць аднолькавай скорасцю . У камеры С гэтыя іоны пад уздзеяннем магнітнага поля В’ апісваюць паўакружнасці і трапляюць на фотапласцінку П.

У камеры С сіла Лорэнца вызывае рух іонаў з цэнтраімклівым паскарэннем Масы ізатопаў m вызначаюць радыус R траекторыі іона ў камеры С. Іоны трапляюць у розныя месцы пласцінкі П.

На пласцінцы П узнікаюць відарысы шчыліны D3 у выглядзе асобных ліній, якія ўтвараюць спектраграму. Такім чынам мас-спектрограф раскладае пучок іонаў па масах. Па шчыльнасці ліній можна вызначыць працэнтны састаў асобных ізатопаў у дадзеным рэчыве.

Паскаральнікі зараджаных часціц Для здзяйснення штучных ядзерных ператварэнняў спатрэбіліся “снарады”, малых памераў, але з дастаткова вялікай энергіяй, якая забяспечвае іх пранікненне ўнутр ядра. Для гэтага трэба было рашыць задачу па штучнаму паскарэнню часціц – стварыць паскаральнікі. Паскаральнік – устройства, якое дае магчымасць атрымаць часціцы з энергіяй да 10ГэВ.

Паскаральнікі па форме траекторыі: лінейныя і цыклічныя (траекторыя лінія ці акружнасць або спіраль). Паскаральнікі па метаду паскарэння: - лінейны (электрастатычны генератар Ван-дэ-Граафа), -каскадны паскаральнік (выкарыстоўваецца электрычнае поле, паскараюцца пратоны да (5-7)Мэв), - цыклічны, - індукцыйны, - рэзанансны.

Цыклічны рэзанансны паскаральнік Лоўрэнс Эрнэст Орландо (1901-1958) Пад кіраўніцтвам Лоўрэнса ў 1932г. быў пабудаваны першы цыклічны паскаральнік – цыклатрон, які з’яўляецца прасцейшым рэзанансным паскаральнікам.

Схема цыклатрона Паміж палюснымі наканечнікамі 4 магутнага электрамагніта 3 знаходзіцца вакуумная камера (не паказана), у якой размешчаны дзве паўкруглыя каробкі 1 і 2, якія называюцца дуантамі.

Да дуантаў прыкладзена пераменнае напружанне U з перыядам Тэ. Магнітнае поле перпендыкулярна электрычнаму. Зараджаную часціцу А змяшчаюць у цэнтр прамежка паміж дуантамі.

Паскораная электрычным поле часціца А уваходзіць у дуант 1 і пад уздзеяннем магнітнага поля апісвае там паўакружнасць. Да моманту выхаду з першага дуанта палярнасць напружання на дуантах змяняецца. Часціца зноў паскараецца ў прамежку паміж дуантамі, уваходзіць у дуант 2 і апісвае паўакружнасць ужо большага радыуса:

Такім чынам, часціца А, паскораная электрычным і адхіляемая магнітным палямі, будзе рухацца па спіралі. Пры дасягненні вызначанай скорасці  часціца вылятае з паскаральнай камеры К ад уздзеяннем адхіляемага зарада q.

Пры вялікіх хуткасцях назіраецца рэлятывісцкае ўзрастанне масы часціцы – перыяд абарачэння павялічваецца: У той жа час перыяд пераменнага электрычнага поля Тэ застаецца нязменным – поле пачынае тармазіць рух часціцы. Гэты недахоп можна ліквідаваць, калі з ростам скорасці часціцы сінхронна павялічваць перыяд напружання U.

Фазатрон Фазатрон як і цыклатрон мае вялікія палюсныя наканечнікі. Траекторыяй руху часціцы з’яўляецца раскручаная спіраль. У працэсе паскарэння часціцы ў фазатроне адбываецца сінхроннае павялічэнне перыяда электрычнага поля Тэ. Фазатроны дазваляюць атрымаць цяжкія часціцы з энергіяй у некалькі соцень мегавольт. Далейшае павелічэнне энергіі патрабуе магутных магнітных палёў (вялікіх магнітаў), што канструктыўна з’яўляецца немэтазгодным.

Бэтатрон Бэтатрон – індукцыйны паскаральнік, у аснове працы якога ляжыць з’ява ўзнікнення віхравога электрычнага поля пад уздзеяннем пераменнага магнітнага поля. Бэтатрон выкарыстоўваецца для паскарэння электронаў. Пры сутыкненні паскораных электронаў з цвёрдай мішэнню узнікае жорсткае γ-выпраменьванне. Атрыманыя γ-кванты могуць быць выкарыстаны для расшчаплення атамных ядзер.

Схема бэтатрона Паміж палюснымі наканечнікам А і В магутнага электрамагніта змяшчаецца тароідная вакуумная камера С. Вось камеры супадае з центрам сіметрыі палюсных наканечнікаў ОО’. Лініі напружанасці (канцэнтрычныя акружнасці з цэнтрам D) віхравога электрычнага поля ляжаць у плоскасці KN.

Віхравое поле ўздзейнічае на электрон з сілай F=-eE, накіраванай па датычнай да лініі напружанасці. За час нарастання магнітнага поля (~10-3с) электрон паспявае зрабіць сотні тысяч абаротаў (тысячы кіламетраў) па кругавой арбіце і дасягуць энергіі 100 МэВ.

Сінхратрон Сінхратрон – цыклічны рэзанансны паскаральнік электронаў. Як і ў бэтатроне ў ім электроны рухаюцца па траекторыі пастаяннага радыуса. Але ў адрозненне ад бэтатрона паскарэнне ў сінхратроне ажыццяўляецца за кошт электрычнага поля. Пры гэтым змяненне магнітнага поля адбываецца так, што стасунак m/B застаецца пастаянным. Роля магнітнага поля заключаецца ў тым, каб утрымліваць электроны на траеторыі пастаяннага радыуса.

Сінхрафазатрон У гэтым паскаральніку часціцы разганяюцца па акружнасці пастаяннага радыуса. Магніт мае кольцападобную форму. Паскарэнне адбываецца ў шэрагу прамежкаў на траекторыі з дапамогай электрычнага поля, перыяд якога змяняецца ў працэсе паскарэння. Пры гэтым, каб утрымаць часціцы на пастаяннай арбіце, сінхронна змяняецца і магнітнае поле.

Сінхрафазатрон у Дубне пры радыусе траекторыі 30м і масе магнітаў 35000т дае пучок пратонаў з энергіяй 10ГэВ. Серпухаўскі паскаральнік дазваляе атрымаць пратоны з энергіяй каля 76ГэВ.

Сінхрацыклатрон Санкт-Пецярбургскага інстытута ядзернай фізікі Сінхрацыклатрон Санкт-Пецярбургскага інстытута ядзернай фізікі

Паскаральнікі на сустрэчных пучках У сустрэчных пучках сутыкаюцца часціцы з нулявым сумарным імпульсам. Пры гэтым кінетычная энергія ператвараецца ў энергію пакоя часціц, што узнікаюць пры сутыкненні, і якія маюць таксама сумарны нулявы імпульс. Гэты метад упершыню быў выкарастаны ў Расіі ў 1967г. – сутыкаюцца электроны і пазітроны з энергіяй 32ГэВ.

Для атрымання роўназначнага эфекта на звычайным паскаральніку (нерухомая мішэнь) трэба было б разагнаць электроны да энергіі 4.106ГэВ. Праект – энергія электронаў і пазітронаў у пучку каля 300ГэВ, што эквівалентна звычайнаму паскарэнню да энергій 4.109ГэВ. Гэта блізка да максімальнай энергіі часціц касмічнага выпраменьвання.