ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Регистрация заряженных частиц и 7-квантов из "Ядерная физика " В ядре. В целом мы приходим к выводу, что в ядерной физике надо все время следить за тем, чтобы используемые физические величины были хотя бы в принципе доступны измерению с требуемой точностью. [c.465] Предметом настоящей главы являются источники и методы регистрации ядерных частиц. [c.466] Для полноты скажем несколько слов и о мишенях. Мишенями могут быть только те частицы и ядра, которые достаточно дс)Лго живут и которые могут входить в состав макроскопических тел. Поэтому список доступных мишеней четко ограничен. В него входят все стабильные и достаточно долго (примерно не менее нескольких минут) живущие ядра, а также протон и электрон. Из всех остальных ядер и частиц мишеней делать нельзя Уже, например, о рассеянии нейтрон — нейтрон нет прямых экспериментальных данных, в то время как рассеяние нейтрон — протон и особенно протон — протон исследовано с большой полнотой в широкой области энергий (см. гл. V, 3 —5). Проблема создания методики исследования столкновений нестабильных и нейтральных частиц друг с другом еще ждет своего решения. Небольшое, но важное расширение списка возможных мишеней достигается на встречных пучках (см. 2, п. 13). [c.466] Перечень принципиально различных типов источников невелик. Исторически первыми источниками были естественно-радиоактивные ядра, испускающие а-частииы, электроны и у-кванты с энергиями до нескольких МзВ. Позднее в реакторах и циклотронах стали создавать большое количество искусственных радиоактивных препаратов, что дало возможность в промышленном масштабе производить радиоактивные источники с различными временами жизни и различными энергиями вылетающих частиц. Однако область энергий вылетающих частиц во всех этих источниках ограничена теми же несколькими МэВ, что заметно ниже порогов большинства ядерных реакций, не говоря уже о реакциях с элементарными частицами. Поэтому радиоактивные источники за редчайшими исключениями (например, эффект Мёссбауэра, см. гл. VI, 6, п. 6) и сейчас применяются не для осуществления ядерных реакций, а для исследования самого явления радиоактивности и для прикладных целей. [c.466] В ускорителях непосредственно ускоряются лишь стабильные заряженные частицы, входящие в состав земной коры. Поскольку основной интерес для физики представляют элементарные акты взаимодействия, то в большинстве ускорителей получают пучки протонов или электронов. Используются пучки дейтронов и а-частиц,. Имеется также небольшое количество ускорителей тяжелых ионов, таких, как многократно заряженные ионы углерода, азота, кислорода и более тяжелых ядер. Решена задача создания достаточно интенсивных источников для ускорителей позитронов и антипротонов. [c.467] Пучки других частиц, как заряженных, так и нейтральных, получают, используя вторичные реакции в мишени, обстреливаемой первичным пучком. В мишени происходят реакции, в результате которых из нее вылетают новые частицы. Если этих новых частиц достаточно много, то можно изучать реакции, производимые новыми частицами при их столкновениях с другими мишенями Этим методой на ускорителях получают вторичные пучки у-квантов, нейтронов, пионов, каонов, антинуклонов и некоторых других частиц. Мюоны и нейтрино не генерируются во вторичных пучках. Эти частицы в ускорителях высоких энергий получают в третичных и т. д. пучках. Третичные пучки порождаются распадами нестабильных частиц вторичных пучков. [c.467] Для получения нейтронных пучков с энергиями до 14 МэВ существуют методы, не связанные с использованием ускорителей. Во-первых, исключительно мощным источником нейтоонов в этой области энергий является ядерный реактор (см. гл. XI, 3). Во-вторых, в этой же области энергий используются простые и широко доступные источники, в которых нейтроны получаются ва-активном препарате за счет вторичной реакции а-частиц с ядрами примесей-определенного вида (см. 3, п. 2). [c.467] Для полноты укажем, что постоянным источником различных частиц в широчайшем диапазоне энергий (до тысяч ГэВ, а изредка и гораздо выше) являются космические лучи (см. гл. ХП, 3). Именно в космических лучах до начала пятидесятых годов в основном открывались новые элементарные частицы. Однако в космических лучах можно проводить не контролируемые эксперименты, а лишь природные наблюдения, в которых не все физические условия фиксированы с достаточной точностью. Поэтому с ростом энергий, доступных ускорительной технике, область применимости космического излучения как метода исследования ядер и элементарных частиц все больше ограничивается снизу по энергии. Кроме того, столкновения космических частиц сверхвысоких энергий происходят крайне редко и лишь на очень большой высоте. В настоящее время исследования реакций с элементарными частицами в космических лучах продолжают играть ограниченную, но важную роль как ецинственный источник информации о взаимодействиях частиц при энергиях выше ускорительных. [c.467] Таким образом, все существующие типы источников элементарных частиц (и ядер) разделяются на радиоактивные препараты (первичные и вторичные частицы), ускорители (первичные, вторичные, третичные пучки и т. д.), ядерные реакторы и космические лучи. Для изучения реакций сейчас используются только ускорители и реакторы. В прикладных исследованиях широко используются радиоактивные источники. [c.468] Из-за малости ионизационного действия отдельной частицы для регистрации необходимо высокоэффективное усиление. Поэтому в ядерной радиотехнике широко используются импульсные радиотехнические усилители. Но на первой ступени усиления обычно радиотехнические усилители непригодны. В таких случаях используются усилители, главной частью которых является то или иное неустойчивое состояние физической системы переохлажденный пар, перегретая жидкость, газ в предразрядном состоянии и т. д. В этом отношении регистрационный прибор похож на заряженное ружье. Пролетающая частица, образно говоря, нажимает на спусковой крючок, высвобождая большую энергию, за счет которой и производится регистрация. [c.468] ГэВ И выше. Главными характеристиками ускорителя являются энергия частиц и интенсивность, т. е. количество частиц, вылетающих за одну секунду. Интенсивность часто характеризуют полным электрическим током, создаваемым пучком. Для получения тока, очевидно, надо умножить число частиц, вылетающих за одну секунду, на заряд отдельной частицы. [c.469] К более тонким характеристикам пучка относятся разброс частиц по энергиям, а для импульсных ускорителей еще и длительность каждого импульса. Малая длительность мощного импульса часто является недостатком, поскольку при каждом импульсе за очень короткое время происходит слишком много актов исследуемых процессов, так что регистрирующая аппаратура успевает засечь лишь их небольшую долю. Поэтому, например, третичные (см. ниже п. 14) электронные пучки, получаемые на больших протонных ускорителях, из-за большой растяжки импульсов способны конкурировать с электронными пучками больших электронных ускорителей, дающих в миллионы раз более сильные средние токи. [c.469] На основе этих элементарных фактов можно объяснить принцип действия любого ускорителя. Фактически расчет и конструирование реальных ускорителей, особенно дающих частицы высоких энергий, очень сложен. Основными трудностями являются обеспечение фокусировки, препятствующей пучку расплываться, и фазировки, препятствующей выбыванию пучка из режима ускорения по времени. [c.470] В свою очередь ускорители многократного действия делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях частицы движутся по прямой, а в циклических — по окружности или спиралям. [c.470] Основным типом ускорителя прямого действия является генератор Ван-де-Граафа, работающий в непрерывном режиме. Все линейные ускорители являются импульсными. К циклическим ускорителям относятся циклотрон, его усовершенствованные варианты — фазотрон, синхротрон, синхрофазотрон, изохронный циклотрон, а также бетатрон и микротрон. Из них циклотрон и изохронный циклотрон обычно являются ускорителями непрерывного действия, микротроны могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, а все остальные циклические ускорители — существенно импульсные. [c.470] Максимальная энергия частиц в генераторе Ван-де-Граафа, как и во всяком ускорителе прямого действия, ограничена напряжением пробоя между шаром и окружающими предметами. Даже при самых тщательных предосторожностях в существующих установках напряжение пробоя не удается поднимать выше десяти миллионов вольт. Поэтому генераторы Ван-де-Граафа обычно дают пучки однозарядных ионов с энергиями 2—5 МэВ, усовершенствованные генераторы — до 20 МэВ. Ток пучка доходит до нескольких сотен мкА, т. е. довольно велик. [c.470] Важным для прикладных целей преимуществом генератора Ван-де-Граафа и других высоковольтных ускорителей является возможность получения больших мощностей при высоком к. п. д. [c.471] Ускорение тяжелых частиц обычно целесообразнее производить на кольцевых ускорителях. Но из-за большой интенсивности и простоты выпуска частиц инжекторы (т. е. предускори-тели) гигантских циклических ускорителей тяжелых частиц являются линейными. Так, на циклическом ускорителе в Серпухове в качестве инжектора используется линейный ускоритель протонов на 100 МэВ (см. ниже п. 9). [c.472] Очевидно, что главным недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки в соответствии с (9.3) нарушают синхронность ускорения на разных витках. Поэтому на циклотроне протоны можно эффективно разгонять лишь до энергий 20—25 МэВ, а электроны ускорять практически нельзя. [c.473] Вернуться к основной статье