Источники и методы регистрации частиц

В ядерной физике исследуется субатомная структура материи.

Характерные размеры этой структуры малы по сравнению с размерами атомов (< 10^-18 м).

В ядерной физике непосредственно измеряются промежутки времени 10^-9 с и только в некоторых случаях удается измерить время, близкое к 10^-11 с. Однако с помощью соотношения неопределенности энергия-время косвенно измеряются промежутки времени, вплоть до 10^-24 с.

Физические явления, происходящие на сверхмалых расстояниях можно изучать пока в основном только по столкновениям и распадам атомных ядер и элементарных частиц. Все источники ядерных излучений подразделяются на радиоактивные препараты, ускорители, ядерные реакторы и космические лучи. В настоящее время используются ускорители от 5 - 10 ГэВ до 100 - 150 ГэВ: электростатический генератор Ван-де-Граафа, линейные ускорители, циклотроны, фазотроны, бетатроны, синхрофазотроны, ускорители на встречных пучках, накопительные кольца и др. Существуют различные методы регистрации элементарных частиц, возникающих при проведении ядерных реакций.

Рис.17

Например, электронные (счетчики). К ним относятся импульсные ионизационнные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные, черенковские и полупроводниковые счетчики. К трековым детекторам относятся: камеры Вильсона, пузырьковые камеры, толстослойные фотоэмульсии, широкозазорные искровые и стримерные, пропорциональные и дрейфовые камеры. Например, полупроводниковые счетчики (рис. 17) используют переходное излучение в рентгеновской области и имеют большое будущее в физике ТэВ-области для идентификации частиц. Принцип работы полупроводникового счетчика тот же, что и ионизационной камеры, только вместо газа используется полупроводник. В этом его преимущество, т. к. в твердом теле на одном и том же отрезке пути заряженная частица отдает в сотни раз больше энергии, чем в газе.

Проходя через полупроводник частица вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, порождая пару электрон-дырка.

Энергия W, необходимая для рождения такой пары, составляет 2,9 эВ в германии и 3,5 эВ в кремнии.

Если энергия частицы равна W_k, то на своем пути в полупроводнике она создает W_k/W электронно-дырочных пар.

Для уменьшения помех полупроводниковые детекторы охлаждают до температур жидкого азота.

В счетчике любого вида регистрация осуществляется немедленно, т. е. без последующей обработки.

Следовые регистраторы (камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных эмульсий и др.) позволяют получить полную информацию о траекториях заряженных частиц.

Оба эти преимущества объединены в искровой камере.

Рис. 18

Искровая камера состоит из набора плоскопараллельных электродов площадью до 1 м², расположенных на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга и соединенных через один.

Электроды помещают в замкнутый объем, заполненный газовой смесью гелия и неона. Одна половина электродов заземляется, а к другой - прикладывается высоковольтный импульс (рис. 18).

Главное достоинство искровой камеры состоит в том, что ее рабочий объем состоит из блоков, число которых не ограничено.

Когерентность и материя

Классическая когерентность, генерация излучения в лазерах, когерентное состояние вещества, сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхизлучение, сверхрассеяние - относятся к явлениям когерентности.

Поскольку пространственная когерентность определяется не абсолютным, а относительным угловым размером источника, то оказывается возможной когерентность лучей света, который приходит на Землю от далекой звезды. Свет самой звезды является пространственно некогерентным, но при наблюдении звезды в телескоп можно видеть резкие кольца, обусловленные когерентными явлениями.

Например, была получена интерференционная картина от Солнца.

За счет синхронизации мод получена интерференция волн с различными частотами, возникающая при генерации лазером ультракоротких импульсов.

Таким способом получены мощности »10¹² Вт при длительности импульса t~10^-10 с. Эти импульсы тем короче, чем большее число волн с различными частотами будут интерферировать.

Наличие волновых свойств у вещества позволяет поставить вопрос о его когерентности, т. е. о возможности для системы, не взаимодействующих между собой частиц, обнаружить свойства, связанные с синхронизацией фаз y-функций отдельных частиц, атомов или молекул.

С когерентностью вещества, возникающей в результате резонансного взаимодействия с излучением, связан целый ряд эффектов: самоиндуцированная прозрачность, фотонная индукция, фотонное эхо, оптическая нутация, сверхизлучение, сверхрассеяние, сверхизлучающий фазовый переход, оптическая бистабильность.

В трехуровневой системе с помощью взаимодействия на равновесную фазу импульсов с частотами n₁₂ и n₂₃ можно наблюдать сверхизлучающие импульсы на всех трех частотах. Это позволяет исследовать характеристики перехода, не соответствующего какой-либо из частот излучения, падающего на молекулярную систему.

С помощью трехуровнего подхода было получено, что для спонтанного комбинационного рассеяния на предварительно возбужденной среде может осуществиться режим сверхрассеяния, а также возможность существования солитонов возбужденного комбинационного рассеяния.

Рассматривается возможность создания фотонной машины.

Подобно электрогенератору и мотору, лазер и фотонная машина могут меняться ролями. Когерентные явления носят общий глобальный характер.

Они проявляются во всех трех известных уровнях структуры вещества: атомной, ядерной и элементарных частиц в широком диапазоне физических условий при нестационарных и нелинейных процессах.

Когерентные явления наблюдаются для излучения и вещества, для кристаллов, жидкостей, газа, плазмы, молекул атомов, ядер, элементарных частиц и т. д.

Обсуждаются вопросы о возможностях получения когерентного гравитационного поля и управления гравитацией.

Когерентные явления успешно применяются в биологии и для приложений в общественных науках.

Обнаружены общие фундаментальные черты различных областей физики, самых разнородных явлений, подтверждающих внутреннее единство материи, указывающих на взаимосвязь когерентных явлений со структурой материи.