Пропорциональная камера. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пропорциональная камера - электронный координатный детектор частиц, представляющий собой множество пропорциональных счётчиков, имеющих общий катод и заключённых в газовый объём. Действие П. к. основано на определении координаты точки траектории частицы по срабатыванию одного из счётчиков.

Имеется большое кол-во разновидностей П. к.- плоские, цилиндрические и т. п. [1-4]. Принцип действия можно объяснить на примере плоской пропорциональной камеры, в к-рой имеются 2 плоских катода и в центре между ними анод в виде тонких параллельно натянутых сигнальных проволочек (симметричная П. к.). Анодные проволочки диаметром d удалены на расстояние s друг от друга и l от катода (катоды делают из тонкой ме-таллич. фольги). На пропорциональную камеру подаётся высокое напряжение V₀, величина к-рого зависит от геометрии камеры, прежде всего от расстояния между проволочками. В симметричной П. к. при l > s > d, V_a = V₀, V_K = 0 (рис. 1) потенциал точки с координатами х, у равен

Рис. 2. Зависимость напряжённости электрического поля E от расстояний т частицы до сигнальных проволочек: 1 - область газового усиления; 2 - область высокой плотности пространственного заряда.

Здесь

- заряд на единице длины сигнальной проволочки,

- диэлектрич. проницаемость газа, С - уд. ёмкость сигнальной проволочки. Типичные параметры П. к.: l = 8 мм, s=2 мм, d=20 мкм, С=3,47 пФ/м, V₀ =4-5 кВ. Электроны, образовавшиеся на траектории заряж. частицы вследствие ионизации атомов газа, движутся (дрейфуют) к анодной проволочке. В её непосредств. близости, начиная с критич. радиуса

, происходит лавинообразное размножение электронов (газовое усиление; рис. 2). Электрич. поле вблизи проволочек обладает цилиндрич. симметрией (рис. 3), поэтому процесс газового усиления происходит так же, как

и в цилиндрич. пропорциональном счётчике. Коэф. газового усиления (в т. н. приближении Роуза - Корфа)

Рис. 3. Эквипотенциальные и силовые линии электрического поля в пропорциональной камере.

Здесь N - плотность газа,

- пороговое напряжение, соответствующее у =

. Амплитуда А сигнала, поступающего с каждой сигнальной проволочки, пропорциональна ионизац. потерям заряж. частицы, т. е. числу электронов п, попавших на данную сигнальную проволочку:

Пропорциональность между ионизацией и амплитудой А достигается при К = 10-10⁵.

К каждой сигнальной проволочке присоединяют предусилитель, после к-рого сигнал поступает в устройство, кодирующее номер проволочки. П. к. размещают так, чтобы частицы летели примерно перпендикулярно плоскости сигнальных проволочек, и тогда координата c точки траектории частицы определяется номером сработавшей проволочки. Чтобы получить неск. точек на траектории частицы, неск. П. к. соединяют в блоки (рис. 4), причём соседние П. к. обычно взаимно развернуты на

. Обычно применяют десятки П. к., что позволяет полностью реконструировать траектории заряж. частиц.

Рис.4. Схема блока из трёх пропорциональных камер, измеряющих координаты х, у, z (развёрнута на

к х).

Разрешающая способность. Пространств. разрешение П. к. задаётся расстоянием между сигнальными проволочками s. Среднеквадратичная ошибка измерения координаты

Амплитудное, т. е. энергетическое, разрешение П. к. определяется соотношением

где Dn - флуктуации числа электронов, DK - флуктуации газового усиления от каждого электрона. При регистрации мягких g-квантов (

= 5-6 кэВ) в П. к. достигается разрешение

12-15% при К=10²-10³[5, 6]. При K<10² разрешение ухудшается из-за уменьшения отношения сигнал/шум; при К>10³ начинает проявляться накопление положит. заряда вблизи проволочки, что ухудшает амплитудное разрешение (см. ниже).

Временное разрешение П. к. dt определяется временем дрейфа ионов. При s=2 мм временное разрешение

=30 нc.

Измерение 2 координат в одной пропорциональной камере. Существует неск. методов определения координаты z траектории частицы вдоль сигнальных проволочек [7]. Часто используют т. н. метод деления токов, основанный на измерении токов I₁ и I₂ на концах сигнальной проволочки. Токи разделяются соответственно сопротивлениям R₁, R₂ участков проволочки по одну и другую стороны от места прохождения частицы: I₁/I₂=R₂/R₁=(L-z)/z, где L-длина проволочки. Предельная точность метода: Dz/L ~ 1%.

Координату z определяют также измерением индуци-ров. заряда на катодах, к-рые изготовлены в виде i полосок или площадок шириной 5-8 мм; на каждой полоске измеряется заряд Q_i:

Этот метод обеспечивает пространственное разрешение

= 20-30 мкм.

Характеристики пропорциональных камер. Газовая смесь для П. к. должна обеспечивать достаточно высокие уд. ионизац. потери энергии заряж. частиц (

2 кэВ/см), мин. сечение захвата электронов атомами газа, гасящие свойства при развитии электрон-фотонной лавины вблизи сигнальных проволочек. Этим требованиям удовлетворяют смеси инертных газов и углеводородов (или СO₂). В П. к. обычно используют смесь Аг (70-90%) и СН₄ или С₂Н₆ (10-30%).

Большое газовое усиление достигается в П. к. с тонкими сигнальными проволочками. Однако при этом эл--статич. силы отталкивают проволочки друг от друга и требуется достаточно большое их натяжение:

(предельное натяжение вольфрамовой проволочки с d = 10, 20, 30 мкм равно 0,16, 0,65 и 1,45 Н). Критич. длина проволочки L_кp = =

. При s = 2 мм, l=8 мм, d = 20 мкм и V₀ = 5 кВ L_кp = 85 см, поэтому в П. к. больших размеров необходимо укреплять сигнальные проволочки.

П. к. работает с высокой эффективностью в потоках до 10⁴-10⁵ частиц·мм

. Препятствием увеличения загрузки является накопление положит. заряда вблизи сигнальных проволочек. В процессе газового усиления положит. ионы, подвижность к-рых приблизительно в 10³ раз меньше подвижности электронов, накапливаются около проволочки, экранируя её, уменьшают газовое усиление и понижают эффективность регистрации частиц.

Долговечность П. к. ограничена "старением", к-рое возникает из-за осаждения и полимеризации органич. соединений на поверхности проволочек [8]. Старение заметно после попадания 10¹⁶ электронов на 1 мм длины проволочки.

Многонитные камеры применяют не только в пропорциональном, но также и в др. режимах работы, напр. в самогасящемся стримерном режиме. При этом теряется пропорциональность амплитуды и ионизации, но возрастает амплитуда сигнала (см. Стримерная камера).

П. к. используют в физике частиц высоких энергий, где крупные установки, достигающие площади ~10 м², содержат десятки П. к. с общим числом проволочек неск. десятков тысяч, а также в ядерной физике, биологии, в медицинской диагностике, дефектоскопии и т. д.

Литература по пропорциональным камерам

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.