Детектор для обнаружения заряженных частиц

Изобретение относится к физике частиц и может быть использовано в космологии, физике высоких энергий, в астрофизике для изучения сверхвысоких энергий. Предложенное изобретение позволяет упростить конструкцию детекторов высокоэнергетических частиц и обеспечить высокую достоверность их регистрации. Детектор для обнаружения и регистрации заряженных частиц содержит параллельно расположенные прозрачные стеклянные пластины, между которыми размещены токопроводящие электроды и залита ферромагнитная жидкость. При этом пластины соединены с источником постоянного напряжения, с балластным сопротивлением и с регистрирующими электрический сигнал устройствами, а для визуализации образующихся на пластинах пространственно-симметричных треков детектор снабжен микроскопом. 4 ил.

 

Изобретение относится к физике, а именно к физике частиц и может быть использовано в космологии, физике высоких энергий, в астрофизике для изучения сверхвысоких энергий.

Обнаружение и регистрация заряженных частиц является в течение последних десятилетий одной из актуальных проблем. Это вызвано тем, что с точки зрения астрофизики и физики ядра, элементарные частицы являются источником излучения астрофизических объектов (оболочек сверхновых звезд Вольфа - Райе, черных дыр, активных ядер Галактик и квазаров). С другой стороны эти частицы имеют очень большую энергию, в тысячи раз превосходящую достигнутую на ускорителях. Поэтому изучение этой энергии с целью использования имеет неоценимое значение. Это направление - космофизический аспект регистрации и исследования космических лучей, позволит использовать их энергетический зарядный состав, создать механизм ускорения. При этом особый интерес вызывают быстродействующие, координатно-чувствительные детекторы с малым количеством вещества, в том числе детекторы ядерных излучений на базе SiC, газоразрядные, пористые эмиссионные детекторы, многопроволочные, микростриповые пористые и множество других. Однако вследствие сильного поглощения электронов ионизации в стенках пор флуктуации числа электронов, попавших в поры пористых эмиссионных детекторов, весьма велики. Поэтому указанные детекторы не удается использовать для высокоточных измерений ионизирующей способности частиц. Наилучшее амплитудное разрешение (25%) можно получить при снятии напряжения при облучении α-частицами с каждой проволоки многопроволочного детектора. (Журнал Успехи физических наук, т.165, №11,1995 г., стр.1330) В известном многопроволочном детекторе в качестве диэлектрика использовано расположенное между катодами пористое вещество. Катодные электроды изготовлены из мелкоструктурной сетки и расположены параллельно друг другу. Между катодами натянуты анодные нити на определенном расстоянии.

Данный детектор используют следующим образом. Заряженная частица в стенках пор образует электроны ионизации, часть которых, попав в поры, ускоряется под воздействием электрического поля и, приобретая достаточную энергию, выбивает со стенок пор новые электроны. Так повторяется во всех поколениях вторичных электронов, вследствие чего вторичные электроны внутри диэлектрического слоя размножаются лавинообразно. Хорошие эмиссионные свойства этих диэлектриков обусловлены большой шириной запрещенной зоны ( ΔW≈4÷8 Эв) и объясняются тем, что внутренние вторичные электроны энергией W<ΔW при небольших нарушениях кристаллической решетки, находясь в зоне проводимости, не могут терять свою энергию, взаимодействуя с электронами валентной зоны. Вследствие этого потери вторичных электронов в диэлектриках малы, глубина выхода для них сравнительно велика и большая их часть доходит до поверхности, имея достаточную энергию для преодоления поверхностного барьера. Таким образом, если к пористому диэлектрику приложить внешнее электрическое поле, то внутри него объемный заряд возникать не будет и можно ожидать вторичную эмиссию с большим коэффициентом. Вторичный ток до 1000 раз может превосходить ток первичных электронов. При этом вторичный ток возрастает медленно и достигает максимума спустя некоторое время после включения первичного пучка. После выключения пучка вторичный ток не исчезает сразу, т.е. наблюдается инерционная самоподдерживающаяся эмиссия. Опыты показали, что преимущества внешнего электрического поля отчетливо проявляются, когда интенсивность потока проходящих через эмиттер частиц настолько мала, что недостаточна для проявления поляризационных эффектов.

Недостатки: интерпретировать результаты не просто вследствие чрезвычайной сложности структуры пористых сред, бесконтрольности количества и вида примесей, а также характера кристаллической структуры стенок пор. Рабочая поверхность ограничена из-за трудностей, связанных с необходимостью натягивать анодные проволоки на расстояниях порядка 0,1 мм друг от друга.

Известны твердотельные трековые детекторы (Клайнкнехт К. Детекторы корпускулярных излучений. М., 1990 г.), имеющие в качестве диэлектрика слюду. Проходя сквозь вещество, атомные и субатомные частицы оставляют на слюде треки, имеющие форму полых цилиндрических каналов, причем вещество, занимавшее канал, выбрасывается в окружающую среду или уплотняет стенки канала. Отметим, что осколки деления создают треки с размерами лишь до 50 ангстрем, которые можно обнаружить и оценить с помощью электронного микроскопа. Недостатком является, во-первых, то, что след не оставляют протоны и α-частицы и их нельзя зарегистрировать. Видимыми являются только треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления, т.е. очень тяжелые частицы. Для регистрации их требуются большие листы пластиков. Таким образом, указанные детекторы требуют усовершенствования, так как они материалоемкие, вызывают технические трудности при изготовлении.

За ближайший аналог принята установка для исследования космических лучей сверхвысоких энергий (10¹⁵-10¹⁷ эВ), разработанная С.Н.Верновым, Г.Т.Зацепиным и Г.Б.Христиансеном в МГУ (hit://www.machaon.ru/mp50/ Cosmos.htm. Развитие экспериментальных исследований по физике космических лучей, с.10). Установка является лабораторным корпусом с помещениями для детекторов электронов и адронов и подземными помещениями для мюонных детекторов. Вокруг корпуса расположены передвижные годоскопы, выполненные как параллельные пластины. Детекторы электронов плотно покрывают рабочую площадь установки.

Установка позволяет регистрировать атмосферные ливни с помощью годоскопов, получая данные о положении оси ливня, расстояния от оси до каждого детектора, числе частиц в ливне. Для определения направления оси широких атмосферных ливней установка снабжена сцинтилляционными счетчиками.

Данная установка, безусловно, сыграла неоценимую роль в изучении космических лучей при регистрации в области сверхвысоких энергий и явилась пионерским решением, которое повлекло за собой целую серию решений, новые направления развития в физике космических лучей, создание подобных, более мощных установок для регистрации космических лучей с энергией 10¹⁷-10²¹ эВ.

Несмотря на несомненные успехи в создании установок такого типа, следует отметить, что они также отличаются высокими материальными затратами, требуют оснащения дорогостоящими приборами, сложны конструктивно.

Задачи. Упростить конструкцию детекторов для обнаружения заряженных космических частиц, обеспечить точность, достоверность, расширить арсенал средств для регистрации сверхмощных энергетических частиц и их осколков.

Сущностью изобретения является детектор для обнаружения и регистрации заряженных частиц, содержащий параллельно расположенные прозрачные стеклянные электроды - пластины, соединенные с источником напряжения и устройствами, регистрирующими ток - осциллографом и самописцем. Между пластинами заключают ферромагнитную жидкость (ФМЖ) - высокодисперсную фазу магнетита в поверхностно-активном веществе, пептизированную в смешанном растворителе, содержащем низкокипящие углеводородные компоненты, причем одновременно на поверхности прозрачных электродов фиксируются треки заряженных частиц, определяющие СРТ-симметрию материи.

Техническим результатом предлагаемого устройства является то, что при прохождении заряженных частиц через пленку ФМЖ частица кавитационно вызывает разрушение поверхности стекла, что позволяет при конструктивно простом оформлении детектора обнаружить и зарегистрировать их электронными средствами, а также определить их физические характеристики (вольтамперная характеристика, время прохождения частиц).

Кроме того, одновременно при помощи микроскопа можно визуально увидеть следы-треки, образованные при движении частиц между пластинами, и также определить физические характеристики типа азимут пролета, класс частиц (изотопы, ядра, легкие частицы), энергию частиц, спин-частиц. Детекторы легко трансформировать по размерам для любых задач ядерной спектроскопии, они не металлоемки, не дорогостоящи. Детектор схематически для лучшего понимания изображен на фиг.1, где 1 - пластины, 2 - ФМЖ, 3 - самописец, 4 - осциллограф, 5 - детектируемая частица, 6 - осколки частиц, 7 - балластное сопротивление, 8 - источник напряжения.

Устройство работает следующим образом. Формируют цепь детектора из источника напряжения 8, балластного сопротивления 7, соединенного с токопроводящими электродами, нанесенными на стеклянные пластины 1, между которыми размещена ферромагнитная жидкость 2. К последовательно соединенной цепи из пластин, балластного сопротивления, блока питания, подключают самописец 3 и осциллограф 4. Электрические сигналы, создаваемые пролетающими через жидкость частицами, регистрируют осциллографом и самописцем (фиг.1). На внутренней поверхности пластин частицы оставляют следы-треки (фиг.2, 3, 4). Нами выявлено, что пролетающие космические частицы высоких энергий порождают импульс напряжения в цепи, который регистрируется самописцем и осциллографом, а также оставляют на поверхности электродов пластин следы-треки. Это происходит за счет того, что пролетающие частицы производят ионизацию атомов и молекул ФМЖ, в результате возникают электроны и положительные ионы (ионные пары), т.е. носители зарядов, которые порождают ток.

Детектируемая частица (5), пролетая через чувствительный слой ферромагнитной жидкости (2), заключенный между двумя прозрачными токопроводящими пластинами (1), создает ионизацию n пар ионов на расстоянии x_о от анода. Если на пластины подать потенциал V_o, а через D обозначить расстояние между пластинами и через С_о - емкость детектора, тогда первоначально запасенная энергия детектора равна ¹/₂ С_о V_o ². При перемещении заряда ne на расстояние от x_о до х, произойдет изменение потенциальной энергии на величину:

е - заряд электрона; ε_o=V_o/d - напряженность поля;

V - потенциал на катоде после перемещения заряда ne.

Регистрирующими устройствами (3,4), подключенными к балластному сопротивлению (7), можно измерять зависимость амплитуды импульса U от смещения носителей заряда

а также временную зависимость U(t). Средняя скоростью носителей зарядов υ± в направлении электродов при заданной напряженности электрического поля ε_о определяет временную амплитуду импульса:

где «-» относится к электронам, ne - заряд первичной ионизации.

Величина U(t) линейно возрастает до своего максимума.

Частицы с высокой энергией ˜10¹⁵ эВ, влетающие в слой магнитной жидкости (мишень), разделяются на два потока, которые продолжают свое движение в пространстве между стеклом и жидкостью. Эффективность регистрации частиц зависит от состава ФМЖ, толщины мишени, ориентации относительно потока в пространстве (азимутального угла). В результате пролета частиц в пленке ФМЖ происходит поверхностное разрушение на пластинах (1) с затратами энергии ˜ 10^-3 Дж. Так образуются треки (фиг.2, 3, 4), где 7 - поле пластины 1,8 - трек осколка 6. По форме разрушения поверхности пластин можно говорить, что энергия осколка составляет ˜ 10¹⁷ эВ. На фиг.3 изображены фрагменты двух треков на внутренней поверхности горизонтально расположенных и наложенных друг на друга стекол с ФМЖ между ними, где 9 - трек на верхнем стекле, 10 - на нижнем стекле. В данном случае его энергия составила порядка 10¹⁵ эВ. На фиг.4 изображен еще один вариант треков от осколков, где 11 - след на верхнем стекле и 12 - на нижнем.

Выбор ФМЖ для измерений кинетической энергии или удельных потерь энергии тяжелых ионов или осколков объясняется следующими причинами:

1) полезный сигнал в ФМЖ значительно превышает шумы электронной аппаратуры;

2) высокая однородность мишени обеспечивает хорошую точность измерений энергии при помощи электронных устройств так и визуальным способам под микроскопом;

3) чувствительность слоя можно менять внешним электрическим полем;

4) ФМЖ может находиться в ждущем режиме для регистрации пассивного типа частиц бесконечно долго (не требующего создания внешнего потенциала на катоде, обладающих энергией, достаточной для активации ФМЖ);

5) обладает очень высокой надежностью, так как частицы с большой энергией не могут вывести мишень из строя;

6) при регистрации активного типа частиц (обладающих энергией, недостаточной для активации ФМЖ без внешнего поля) отсутствуют радиационные повреждения;

7) простота конструкции счетчика позволяет собирать большие по площади модули для регистрации частиц.

Технической сущностью предлагаемого изобретения является регистрация под микроскопом форм треков на поверхности пластин, порождаемых кавитацией и одновременное образование электрических сигналов, что позволяет просто и четко обеспечить решение поставленных задач. Поток осколков космической частицы в ФМЖ разделяется на две части, каждая из которых продолжает свое движение в области между жидкостью и стеклом. Траектории осколков симметричны относительно неподвижного центра масс. При движении осколка вблизи к поверхности стекла образуется область кавитации, обусловленная понижением давления за движущейся частицей. Возникает деформация слоя. Одновременно присутствует механизм разогрева жидкости, что приводит к ее вскипанию и образованию газовых пузырьков. Когда диаметр пузырька становиться в несколько раз больше длины свободного пробега электрона в газе, через последний проскакивает разряд. Напряжения, растягивающие поверхность, могут вызвать образования первичных трещин. Появление первичных трещин увеличивает сечения рассеяния и локальную плотность сил, делая процесс лавинообразным. Макроскопический характер рассеяния неравновесных электронов на поверхности приводит к выкалыванию части поверхности. Начальная концентрация электронов в жидкости n_i≈10¹⁵ см^-3. В конце действия по расширению пузырька газа концентрация неравновесных электронов на поверхности становится равной 10²²-10²³ см^-3. При схлопывании газового пузыря размером r_o=10^-3 см растягивающее напряжение на поверхности стекла σ_max=10⁷ Па. Это растягивающее напряжение является основной причиной начала разрушения поверхности в области движения частицы.

Максимально удерживаемый перепад давления ФМЖ может быть записан:

Напряженность магнитного поля, создаваемого осколком, равна 5·10⁵ А·м^-1 при намагниченности 0.036Т, получаем Δр≈2·0⁴ Па. Если учитывать вращение магнитного осколка и прилипание частиц ФМЖ к поверхности стекла, то Δр возрастет до 60 кПа.

На фиг.2, 3, 4 изображены следы таких треков на стекле. Экспериментально определили работу, затрачиваемую на образование такого следа, и она равна 0,21·10^-3 Дж. Если исходить из значений коэффициента Пуассона 0,2 и общей площади следа ≈7,5·10^-4 см², тангенциальные напряжения для стекла равны v_th≈3·10⁸ Па. Отсюда получаем силу разрушения ≈0,225 kg, которая на пути длиной 0,1 см рождает энергию разрушения 2,25·10^-3 Дж.

Исходя из этих рассуждений, частица, пролетающая над поверхностью стекла, должна обладать энергией ≈10¹⁵ эВ. Результаты экспериментов с данным детектором показали, что сфотографированные события распада космической частицы высокой энергии на два осколка обладают СР-симметрией. Симметрия между веществом и антивеществом позволяет изучать физику элементарных частиц и космологию, то есть напрямую осуществлять поиск ядер антивещества в космосе. Изучение сил, сохраняющих и нарушающих СР-симметрию, дает нам возможность неожиданного объединения самых разных областей знания. Природа этих сил пока не установлена, но она удивительна по красоте.

Детектор для обнаружения и регистрации заряженных частиц, имеющий параллельно расположенные пластины, отличающийся тем, что между прозрачными стеклянными пластинами, имеющими токопроводящие электроды, расположена ферромагнитная жидкость, пластины соединены с источником постоянного напряжения, с балластным сопротивлением и с регистрирующими электрический сигнал устройствами и одновременно для визуализации образующихся на пластинах пространственно-симметричных треков детектор снабжен микроскопом.