ГБОУ НПО ПЛ “Краснодеревец”С-Пб

ТЕМА: «Ядерная физика»

Тема урока: «Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц».

преподаватель физики: Сорокина Ирина Станиславовна

2012

Тип урока: Урок изучения нового материала

Оборудование: компьютер, проектор, интерактивная доска  

План урока.

Приложение1

Приложение2

1 группа- счетчик Гейгера

2 группа- камера Вильсона

3 группа- пузырьковая камера

4 группа- метод фотоэмульсий

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ГРУППЫ.

1. Рассмотреть внимательно рисунки, чертёжи, схемы.

2. Прочитать § учебника и дополнительный материал , выбрав из него только ту часть, которая необходима для защиты своей темы.

3. Заполнить в таблице  свою графу.

5. Время для подготовки – 10 минут, для защиты 2 минуты.

Приложение3

План изучения физического прибора

(технической установки)

1.          Назначение прибора.

2.          Основные части прибора и их назначение.

3.          Принцип действия прибора (какие явления, законы их протекания положены в основу работы прибора; взаимодействие основных элементов в его устройстве, последовательность физических процессов, определяющих данное взаимодействие).

4.          Правила пользования прибором (и правила измерения для измерительных приборов). Техника безопасности в работе с прибором.

5.          Область применения прибора.

6.          Разновидности прибора и области их применения.

Приложение4

Cчётчик Гейгера-Мюллера.

    Cчётчик Гейгера  (или счётчик Гейгера-Мюллера) - газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Изобретён в 1908 г. Х. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером.

    Конструктивно счётчик Гейгера устроен также как пропорциональный счётчик, т.е. представляет собой цилиндрический конденсатор, заполненный инертным газом. К внутреннему электроду (тонкой металлической нити) приложен положительный потенциал, к внешнему – отрицательный. Функционально счётчик Гейгера также в основном повторяет пропорциональный счётчик, но отличается от последнего тем, что за счёт более высокой разности потенциалов на электродах работает в таком режиме, когда достаточно появления в объёме детектора одного электрона, чтобы развился мощный лавинообразный процесс, обусловленный вторичной ионизацией (газовое усиление), который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. По существу, при попадании в счетчик Гейгера частицы в нём вспыхивает (зажигается) самостоятельный газовый разряд. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010, а величина импульса десятков вольт.

    Этот счётчик обладает практически стопроцентной вероятностью регистрации заряженной частицы, так как для возникновения разряда достаточно одной электрон-ионной пары. Однако длительность сигнала со счётчика Гейгера сравнительно велика (10-4 с). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду и восстановилась чувствительность детектора.

Ионизационная камера.

    Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие  и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.

   В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля Eкс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля Eса > Eкс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов.

    Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов.    Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временнoе разрешение ионизационной камеры будет достигать 10-6 с.

    Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы.

Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию, необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа  30-40 эВ).

Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением.

    Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию ионизационной камеры - камеру деления.

Камера Вильсона.

    Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

    Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.  

Рис. 1. Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков

    Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

Рис. 2. К принципу работы камеры Вильсона

    Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

Пузырьковая камера.

    Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

     Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

а.        

Рис. 1. Пузырьковая камера: а - внешний вид, б - фотография события в камере, в - расшифровка события

    Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.

    Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём объёме треки высокоэнергичных частиц.

    Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м3). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер 0.1 мм.

    Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Метод толстослойных фотоэмульсий разработан Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.

Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы Ag+ и Вг- и почернение фотоэмульсии вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить.

Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.

Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают -частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам -частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление -частиц.

Приложение5

Приложение 6

Выводы:

 Прибор регистрирующий элементарные частицы - это, более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении вызванной пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое более устойчивое состояние.

В настоящее время используются много различных методов регистрации частиц. В зависимости от цели эксперимента и условий, при которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства.

Приложение 8

Домашнее задание

1.Найти информацию о других экспериментальных методах регистрации заряженных частиц.

2.Таблица  «Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц»

Приложение 9

Тест

     1.Действие счетчика Гейгера основано  на

1. Ударной ионизации.
2. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
3. Выделении энергии частицей.
4. Образовании пара в перегретой жидкости.
5. Конденсации перенасыщенных паров.

2.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется

1. Толстослойная фотоэмульсия.
2. Счетчик Гейгера.
3. Фотокамера.
4. Камера Вильсона.
5. Пузырьковая камера.

3.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

1. Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)
2. Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)
3. Можно, если они имеют маленький импульс
4. Можно, если они имеют большой импульс
5. Нельзя

4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на

1.  Ударной ионизации.
2.  Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
3.  Образовании пара в перегретой жидкости.
4.  Конденсации перенасыщенных паров.
5.  Выделении энергии частицей.

5.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на конденсации перенасыщенного пара, называется

1. Фотокамера
2. Камера Вильсона
3. Толстослойная фотоэмульсия
4. Счетчик Гейгера
5. Пузырьковая камера

Приложение 10

Тест (ответы)

     1.Действие счетчика Гейгера основано  на

6. Ударной ионизации.
7. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
8. Выделении энергии частицей.
9. Образовании пара в перегретой жидкости.
10. Конденсации перенасыщенных паров.

2.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется

6. Толстослойная фотоэмульсия.
7. Счетчик Гейгера.
8. Фотокамера.
9. Камера Вильсона.
10. Пузырьковая камера.

3.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

6. Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)
7. Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)
8. Можно, если они имеют маленький импульс
9. Можно, если они имеют большой импульс
10. Нельзя

4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на

6.  Ударной ионизации.
7.  Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
8.  Образовании пара в перегретой жидкости.
9.  Конденсации перенасыщенных паров.
10.  Выделении энергии частицей.

5.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на конденсации перенасыщенного пара, называется

6. Фотокамера
7. Камера Вильсона
8. Толстослойная фотоэмульсия
9. Счетчик Гейгера
10. Пузырьковая камера

Приложение 11

Рефлексия :

сегодня я узнал…

было интересно…

было трудно…

я выполнял задания…

я понял, что…

теперь я могу…

я почувствовал, что…

я приобрел…

я научился…

у меня получилось …

я смог…