Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь следует очень коротко рассказать о фоне естественной радиоактивности. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянпом состоянии во всех материалах установки, защиты, в воздухе и в самих экспериментаторах. (В последнем убедились тоже с помощью больших сцинтилляционных счетчиков, измерив радиоактивность человека. Она составляет около 3000 частиц в секунду.) В природе существуют три семейства элементов, обладающих естественной радиоактивностью: урана—радия, тория и актиния. Каждое семейство — это ряд атомов, претерпевающих последовательный распад и превращающихся в другие элементы, члены ряда. Есть еще и отдельные радиоактивные изотопы, создаваемые в атмосфере космическим излучением и не входящие в эти семейства. Наконец, есть очень неприятный для ряда экспериментов изотоп калий-40. Больше всего калия содержится в стеклах, в ФЭУ, в сопротивлениях делителя ФЭУ. В то же время для биологов калий-40 сущая находка, так как по его очень характерному излучению можно следить за изменениями радиоактивности человеческого тела. Это используется в тех случаях, когда человек подвергся облучению или находился в непривычных условиях, где его обмен веществ изменился, например, в космосе.
Можно представить себе вклад различных источников естественной радиации в фон, если обратиться к рис. 20. На нем представлен энергетический спектр фона кристалла йодистого натрия и спектры отдельных компонент фона, дающих вклад в общее число импульсов: космических мюонов, естественной радиоактивности — рядов тория ц урана, 40K. От 4 до 9 МэВ наблюдаются пики от альфа-частиц внутренних загрязнений кристалла, Следует
94
обратить внимание на шкапу отсчетов — она логарифмическая. Это сделано для того, чтобы лучше показать фон в области высоких энергий. Иначе из-за того, что при переходе от энергии 0,5 МэВ к 3 МэВ он падает в 30 раз; масштаб не позволил бы это сделать.
Органические сцинтилляторы содержат значительно меньше радиоактивных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего их фон связан с внешней радиацией.
МэВ
Рис. 20. Спектр фоиа от естественной радиоактивности и космических мюонов в кристалле йодистого натрия.
Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучаются самые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые гамма-кванты и нейтроны. Если считать, что в защищенных помещениях
95
реактора число быстрых нейтронов в сто раз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность их регистрации в детекторе с органическим сцинтиллято-ром все еще в миллион раз больше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсировано дополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора,— один из самых неприятных. Его нельзя измерить отдельно от эффекта, выключив реактор, как это делается для других видов фона. Он возникает одновременно с нейтрино и поэтому должен быть учтен особенно тщательно.
1.8. Долі ожданная победа
Паули помогли проиграть пари два американских физика Рейнес и Коуэн, которые в 1953 г. впервые зарегистрировали нейтрино, вдали от места рождения этой частицы.
Рис. 21. Схема регистрации нейтрино в опытах Рейнеса и Коуэиа (А — точка поглощения v и появления е+ и n, В — точка аннигиляции ?+, С — захват нейтрона ядром кадмия).
Для обнаружения v они использовали реакцию, обратную бета-распаду нейтрона, которую мы обсуждала в начале этой главы:
V + р -> n + е+. (32)
Источником нейтрино служил мощный ядерный реактор в атомном центре Лос-Аламосе.
Что5ы понять принцип регистрации, обратимся к рис. 21. Нейтрино, летящее от реактора, попадает в мишень — пластиковый бак, наполненный двумястами лит-
96
рами воды. В воде растворена соль кадмия CdCl2. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замедляется, аннигилирует с электроном среды, и два гамма-кванта, каждый с энергией 0,5 МэВ, разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетевшие из нее кванты попали в баки с жидким сцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени. Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтилляции собралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, которые «просматривают» бак. Для выравнивания светового потока ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель (без сцинтилляционных добавок).
Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно зарегистрированные в детекторах аннигиля-ционные гамма-кванты с определенной энергией. Достаточно ли этого? Оказывается,— нет. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще в десятки раз превышало ожидаемый эффект.
Поэтому пришлось прибегнуть и к «услугам» нейтрона. Он быстро замедляется в воде — за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесса излучает несколько энергичных гамма-квантов. Последние также попадают в сцинтилля-ционные детекторы и регистрируются.
