Эксперыментальныя метады ядзернай фізікі

Παρουσίαση με θέμα: "Эксперыментальныя метады ядзернай фізікі"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

2 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.

3 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.

4 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.

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

6 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 .

7 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 ( )мм.рт.сл.

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

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

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

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

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

19 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.

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

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

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

23 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.

24 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.

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

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

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

28 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.

29 Эмульсійная камера Створана ў г. 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.

30 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.

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

32 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

33 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.

34 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 ( ) пабудаваў мас-спектрометр, дакладнасць якога складала 0,01%.

35 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).

36 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.

37 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.

38 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.

39 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.

40 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.

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

42 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.

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

44 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:

45 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.

46 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.

47 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.

48 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.

49 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.

50 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.

51 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.

52 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.

53 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.

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

55 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.

56 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.